Functionalization of Si(111) surfaces and the formation of mixed monolayers for the covalent attachment of molecular catalysts in photoelectrochemical devices

The functionalization of silicon surfaces with molecular catalysts for proton reduction is an important part of the development of a solar-powered, water-splitting device for solar fuel formation. The covalent attachment of these catalysts to silicon without damaging the underlying electronic properties of silicon that make it a good photocathode has proven difficult. We report the formation of mixed monolayer-functionalized surfaces that incor- porate both methyl and vinylferrocenyl or vinylbipyridyl (vbpy) moieties. The silicon was functionalized using reaction conditions analogous to those of hydrosilylation, but instead of a H-terminated Si surface, a chlorine-terminated Si precursor surface was used to produce the linked vinyl-modified functional group. The functionalized surfaces were characterized by time-resolved photoconductivity decay, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), electro- chemical, and photoelectrochemical measurements. The functionalized Si surfaces were well passivated, exhibited high surface coverage and few remaining reactive Si atop sites, had a very low surface recombination velocity, and displayed little initial surface oxidation. The surfaces were stable toward atmospheric and electrochemical oxidation. The surface coverage of ferrocene or bipyridine was controllably varied from 0 up to 30% of a monolayer without loss of the underlying electronic properties of the silicon. Interfacial charge transfer to the attached ferrocene group was relatively rapid, and a photovoltage of 0.4 V was generated upon illumination of functionalized n-type silicon surfaces in CH₃CN. The immobilized bipyridine ligands bound transition metal ions, and thus enabled the assembly of metal complexes on the silicon surface. XPS studies demonstrated that [Cp∗Rh(vbpy)Cl]Cl, [Cp∗Ir(vbpy)Cl]Cl, and Ru(acac)₂vbpy were assembled on the surface. For the surface prepared with iridium, x-ray absorption spectroscopy at the Ir L_III edge showed an edge energy and post-edge features virtually identical to a powder sample of [Cp∗Ir(bipy)Cl]Cl (bipy is 2,2 ́-bipyridyl). Electrochemical studies on these surfaces confirmed that the assembled complexes were electrochemically active.

Ionic Liquids and Cellulose: Dissolution, Chemical Modification and Preparation of New Cellulosic Materials

Due to its abundance and a wide range of beneficial physical and chemical properties, cellulose has become very popular in order to produce materials for various applications. This review summarizes the recent advances in the development of new cellulose materials and technologies using ionic liquids. Dissolution of cellulose in ionic liquids has been used to develop new processing technologies, cellulose functionalization methods and new cellulose materials including blends, composites, fibers and ion gels.

Electrical control of nanoscale functionalization in graphene by the scanning probe technique

Functionalized graphene is a versatile material that has well-known physical and chemical properties depending on functional groups and their coverage. However, selective control of functional groups on the nanoscale is hardly achievable by conventional methods utilizing chemical modifications. We demonstrate electrical control of nanoscale functionalization of graphene with the desired chemical coverage of a selective functional group by atomic force microscopy (AFM) lithography and their full recovery through moderate thermal treatments. Surprisingly, our controlled coverage of functional groups can reach 94.9% for oxygen and 49.0% for hydrogen, respectively, well beyond those achieved by conventional methods. This coverage is almost at the theoretical maximum, which is verified through scanning photoelectron microscope measurements as well as first-principles calculations. We believe that the present method is now ready to realize 'chemical pencil drawing' of atomically defined circuit devices on top of a monolayer of graphene. © 2014 Nature Publishing Group All rights reserved.

On the chemical synthesis and drug delivery response of folate receptor-activated, polyethylene glycol-functionalized magnetite nanoparticles

We describe here the chemical synthesis and in vitro drug delivery response of polyethylene glycol (PEG)-functionalized magnetite (Fe3O4) nanoparticles, which were activated with a stable ligand, folic acid, and conjugated with an anticancer drug, doxorubicin. The functionalization and conjugation steps in the chemical synthesis were confirmed using Fourier transform infrared spectroscopy. The drug-release behavior of PEG-functionalized and folic acid-doxorubicin-conjugated magnetic nanoparticles was characterized by two stages involving an initial rapid release, followed by a controlled release. (C) 2007 Acta Materialia Inc. Published by Elsevier Ltd. All rights reserved.

Metal nanomaterials and carbon nanotubes - synthesis, functionalization and potential applications towards electrochemistry

This review focuses on the synthesis, assembly, surface functionalization, as well as application of inorganic nanostructures. Electrochemical and wet- chemical methods are demonstrated to be effective approaches to make metal nanostructures under control without addition of a reducing agent or protecting agent. Owing to the unique physical and chemical properties of the nano-sized materials, novel applications are introduced using inorganic nanomaterials, such as electrocatalysis, photoelectricity, spectrochemistry, and analytical chemistry.

Covalent functionalization of polydisperse chemically-converted graphene sheets with amine-terminated ionic liquid

A facile method to obtain polydisperse chemically-converted graphene sheets that are covalently functionalized with ionic liquid was reported-the resulting graphene sheets, without any assistance from polymeric or surfactant stabilizers, can be stably dispersed in water, DMF, and DMSO.

Functionalization of an ethylene-propylene copolymer with allyl (3-isocyanate-4-tolyl) carbamate

An ethylene-propylene copolymer (EPM) was functionalized with an iso cyanate-bearing unsaturated monomer, allyl(3-isocyanate-4-tolyl) carbamate (TAI), with dicumyl peroxide as an initiator in a xylene solution. Fourier transform infrared (FTIR) was used to confirm the formation of EPM-g-TAI. The peak at 2273 cm(-1), characteristic of -NCO groups in EPM-g-TAI, revealed evidence of grafting. The grafting degree was determined with both chemical titration and FTIR. The grafting degree could be adjusted, and the maximum was over 6 wt % without any gelation. The molar mass distribution of EPM-g-TAI was narrower than that of EPM. The rheological behavior of both EPM-g-TAI and EPM was investigated with a rotational rheometer. The apparent viscosity of EPM-g-TAI was higher than that of EPM and increased with an increasing grafting degree of TAI. Surface analysis by contact-angle measurements showed that contact angles of EPM-g-TAI samples to a given polar liquid decreased with an increasing grafting degree of TAI. We also obtained the dispersion component of the surface free energy (gamma(S)(d)), the polar component of the surface free energy (gamma(S)(d)), and the total surface free energy (gamma(S) = gamma(S)(d) + gamma(S)(p)) of the grafted EPM. These parameters increased with the enhancement of the grafting degree, which gave us a quantitative estimation of the polar contribution of the grafted TAI to the total surface free energy of EPM-g-TAI.

Functionalization of isotactic polypropylene with maleic anhydride by reactive extrusion: mechanism of melt grafting

In this work, chemical structures and molecular parameters of grafted materials of PP-g-MAH prepared by melt reactive extrusion were studied by using electrospray ionization-mass spectrometer and gel permeation chromatography. It was found that the initial radicals, due to homolitic scission of dicumyl peroxide could be combined with maleic anhydride (MAH) monomers as well as polypropylene (PP) molecular chains. The homopolymerization of MAH cannot occur and the MAH radicals undergo a dismutational reaction under the processing condition (180-190 degreesC). A modified mechanism of melt grafting MAH onto PP has been proposed tentatively on the basis of our experimental results and other experimental findings published in the literature. (C) 2001 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Functionalization of lamellar molybdenum disulphide nanocomposite with gold nanoparticles

This work explores the functionalization of an organic-inorganic MoS2 lamellar compound, prepared by a Chemical Liquid Deposition Method (CLD), that has an interlamellar distance of ~5.2 nm, using clusters of gold nanoparticles. The gold nanoparticles have a mean diameter of 1.2 nm, a stability of ~85 days, and a zeta potential measured to be ζ = -6.8 mV (solid). The nanoparticles are localized in the hydrophilic zones, defined by the presence of amine groups of the surfactant between the lamella of MoS2. SEM, TEM, EDAX and electron diffraction provide conclusive evidence of the interlamellar insertion of the gold nanoparticles in the MoS2.

Gold nanoparticle surface functionalization: a necessary requirement in the development of novel nanotherapeutics

With several gold nanoparticle-based therapies currently undergoing clinical trials, these treatments may soon be in the clinic as novel anticancer agents. Gold nanoparticles are the subject of a wide ranging international research effort with preclinical studies underway for multiple applications including photoablation, diagnostic imaging, radiosensitization and multifunctional drug-delivery vehicles. These applications require an increasingly complex level of surface modification in order to achieve efficacy and limit off-target toxicity. This review will discuss the main obstacles in relation to surface functionalization and the chemical approaches commonly utilized. Finally, we review a range of recent preclinical studies that aim to advance gold nanoparticle treatments toward the clinic.

Synthesis and functionalization of hydroxyapatite nanoparticles

Graças aos desenvolvimentos na área da síntese de nanomaterais e às potentes técnicas de caracterização à nanoescala conseguimos hoje visualizar uma nanopartícula (NP) como um dispositivo de elevado potencial terapêutico. A melhoria da sua efectividade terapêutica requer no entanto o aprofundamento e sistematização de conhecimentos, ainda muito incipientes, sobre toxicidade, selectividade, efeitos colaterais e sua dependência das próprias características físico-químicas da NP em análise. O presente trabalho, elegendo como alvo de estudo uma substância considerada biocompatível e não tóxica, a hidroxiapatite (Hap), pretende dar um contributo para esta área do conhecimento. Definiram-se como metas orientadoras deste trabalho (i) estudar a síntese de nanoparticulas de Hap (Hap NP), e a modificação das características físico-químicas e morfológicas das mesmas através da manipulação das condições de síntese; (ii) estudar a funcionalização das Hap NP com nanoestruturas de ouro e com ácido fólico, para lhes conferir capacidades acrescidas de imagiologia e terapêuticas, particularmente interessantes em aplicações como o tratamento do cancro (iii) estudar a resposta celular a materiais nanométricos, com propriedades físico-químicas diversificadas. No que se refere à síntese de Hap NP, comparam-se dois métodos de síntese química distintos, a precipitação química a temperatura fisiológica (WCS) e a síntese hidrotérmica (HS), em meios aditivados com ião citrato. A síntese WCS originou partículas de tamanho nanométrico, com uma morfologia de agulha, pouco cristalinas e elevada área superficial especifica. A síntese HS à temperatura de 180ºC permitiu obter partículas de dimensões também nanométricas mas com área específica inferior, com morfologia de bastonete prismático com secção recta hexagonal e elevada cristalinidade. Com o objectivo de aprofundar o papel de algumas variáveis experimentais na definição das características finais das partículas de hidroxiapatite, designadamente o papel do ião citrato (Cit), variou-se a razão molar [Cit/Ca] da solução reagente e o tempo de síntese. Demonstrou-se que o ião citrato e outras espécies químicas resultantes da sua decomposição nas condições térmicas (180ºC) de síntese tem um papel preponderante na velocidade de nucleação e de crescimento dessas mesmas partículas e por conseguinte nas características físico-químicas das mesmas. Elevadas razões [Cit/Ca] originam partículas de dimensão micrométrica cuja morfologia é discutida no contexto do crescimento com agregação. Com o objectivo de avaliar a citotoxicidade in vitro das nanopartículas sintetizadas procedeu-se à esterilização das mesmas. O método de esterilização escolhido foi a autoclavagem a 121º C. Avaliou-se o impacto do processo de esterilização nas características das partículas, verificando-se contrariamente às partículas WCS, que as partículas HS não sofrem alterações significativas de morfologia, o que se coaduna com as condições de síntese das mesmas, que são mais severas do que as de esterilização. As partículas WCS sofrem processos de dissolução e recristalização que se reflectem em alterações significativas de morfologia. Este estudo demonstrou que a etapa de esterilização de nanopartículas para aplicações biomédicas, por autoclavagem, pode alterar substancialmente as propriedades das mesmas, sendo pois criticamente importante caracterizar os materiais após esterilização. Os estudos citotoxicológicos para dois tipos de partículas esterilizadas (HSster e WCSster) revelaram que ambas apresentam baixa toxicidade e possuem potencial para a modelação do comportamento de células osteoblásticas. Tendo em vista a funcionalização da superfície das Hap NP para multifunções de diagnóstico e terapia exploraram-se condições experimentais que viabilizassem o acoplamento de nanopartículas de ouro à superfície das nanopartículas de Hidroxiapatite (Hap-AuNP). Tirando partido da presença de grupos carboxílicos adsorvidos na superfície das nanopartículas de Hap foi possível precipitar partículas nanométricas de ouro (1,5 a 2,5 nm) na superfície das mesmas adaptando o método descrito por Turkevich. No presente trabalho as nanopartículas de Hap funcionaram assim como um template redutor do ouro iónico de solução, propiciando localmente, na superfície das próprias nanopartículas de Hap, a sua redução a ouro metálico. A nucleação do ouro é assim contextualizada pelo papel redutor das espécies químicas adsorvidas, designadamente os grupos carboxílicos derivados de grupos citratos que presidiram à síntese das próprias nanopartículas de Hap. Estudou-se também a funcionalização das Hap NP com ácido fólico (FA), uma molécula biologicamente interessante por ser de fácil reconhecimento pelos receptores existentes em células cancerígenas. Os resultados confirmaram a ligação do ácido fólico à superfície das diferentes partículas produzidas HS e Hap-AuNPs. Graças às propriedades ópticas do ouro nanométrico (efeito plasmão) avaliadas por espectroscopia vis-UV e às potencialidades de hipertermia local por conversão fototérmica, as nanoestruturas Hap-AuNPs produzidas apresentam-se com elevado interesse enquanto nanodispositivos capazes de integrar funções de quimio e terapia térmica do cancro e imagiologia. O estudo da resposta celular aos diversos materiais sintetizados no presente trabalho foi alvo de análise na tentativa de se caracterizar a toxicidade dos mesmos bem como avaliar o seu desempenho em aplicações terapêuticas. Demonstrou-se que as Hap NP não afectam a proliferação das células para concentrações até 500 g/ml, observando-se um aumento na expressão genética da BMP-2 e da fosfatase alcalina. Verificou-se também que as Hap NP são susceptíveis de internalização por células osteoblásticas MG63, apresentando uma velocidade de dissolução intracelular relativamente reduzida. A resposta celular às Hap-AuNP confirmou a não citotoxicidade destas partículas e revelou que a presença do ouro na superfície das Hap NP aumenta a taxa proliferação celular, bem como a expressão de parâmetros osteogénicos. No seu conjunto os resultados sugerem que os vários tipos de partículas sintetizadas no presente estudo apresentam também comportamentos interessantes para aplicações em engenharia de tecido ósseo.

Quantum dots: synthesis, functionalization and bioconjugation for biological applications

Dissertation presented to obtain the Ph.D degree in Engineering Sciences and Technology

Direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes

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

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.

The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.