Convenient synthesis of heterobifunctional poly(ethylene glycol) suitable for the functionalization of iron oxide nanoparticles for biomedical applications.

A straightforward route is proposed for the multi-gram scale synthesis of heterobifunctional poly(ethylene glycol) (PEG) oligomers containing combination of triethyloxysilane extremity for surface modification of metal oxides and amino or azido active end groups for further functionalization. The suitability of these PEG derivatives to be conjugated to nanomaterials was shown by pegylation of ultrasmall superparamagnetic iron oxide (USPIO) nanoparticles (NPs), followed by functionalization with small peptide ligands for biomedical applications.

Chemical Functionalization of Bioceramics To Enhance Endothelial Cells Adhesion for Tissue Engineering.

To control the selective adhesion of human endothelial cells and human serum proteins to bioceramics of different compositions, a multifunctional ligand containing a cyclic arginine-glycine-aspartate (RGD) peptide, a tetraethylene glycol spacer, and a gallate moiety was designed, synthesized, and characterized. The binding of this ligand to alumina-based, hydroxyapatite-based, and calcium phosphate-based bioceramics was demonstrated. The conjugation of this ligand to the bioceramics induced a decrease in the nonselective and integrin-selective binding of human serum proteins, whereas the binding and adhesion of human endothelial cells was enhanced, dependent on the particular bioceramics.

Covalent cell surface functionalization of human fetal osteoblasts for tissue engineering.

The chemical functionalization of cell-surface proteins of human primary fetal bone cells with hydrophilic bioorthogonal intermediates was investigated. Toward this goal, chemical pathways were developed for click reaction-mediated coupling of alkyne derivatives with cellular azido-expressing proteins. The incorporation via a tetraethylene glycol linker of a dipeptide and a reporter biotin allowed the proof of concept for the introduction of cell-specific peptide ligands and to follow the reaction in living cells. Tuning the conditions of the click reaction resulted in chemical functionalization of living human fetal osteoblasts with excellent cell survival.

Growth and functionalization of carbon nanotubes on quartz filter for environmental applications

Background: Air pollution has become an important issue worldwide due to its adverse health effects. Among the different air contaminants, volatile organic compounds (VOCs) are liquids or solids with a high vapor pressure at room temperature that are extremely dangerous for human health. Removal of these compounds can be achieved using nanomaterials with tailored properties such as carbon nanotubes. Methods: Vertically-aligned multiwall carbon nanotubes (CNTs) were successfully grown on quartz filters by means of plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD). Furthermore, a plasma treatment was performed in order to modify the surface properties of the CNTs. The adsorption/desorption processes of three chlorinated compounds (trichloroethylene, 1,2-dichlorobenzene and chloroform) on the CNTs were studied using mass spectrometry measurements with a residual gas analyzer. Results: The adsorption capability of the CNTs increased after functionalization of their surface with a water plasma treatment. In addition, it was found that the presence of aromatic rings, water solubility and polarity of the VOCs play an important role on the adsorption/desorption kinetics at the CNTs surface. Conclusions: This study demonstrates the applicability of CNTs deposited on quartz filters for the removal or selective detection of volatile organic compounds (VOCs). The presence of aromatic rings in VOCs results in π -stacking interactions with a significant increase of their adsorption. On the other hand, it was found that CNTs surface interactions increase with water solubility and polarity of the VOC.

Surface functionalization of alumina ceramic foams with organic ligands.

Different anchoring groups have been studied with the aim of covalently binding organic linkers to the surface of alumina ceramic foams. The results suggested that a higher degree of functionalization was achieved with a pyrogallol derivative - as compared to its catechol analogue - based on the XPS analysis of the ceramic surface. The conjugation of organic ligands to the surface of these alumina materials was corroborated by DNP-MAS NMR measurements.

Influence of surface functionalization on the behavior of silica nanoparticles in biological systems

Personalized nanomedicine has been shown to provide advantages over traditional clinical imaging, diagnosis, and conventional medical treatment. Using nanoparticles can enhance and clarify the clinical targeting and imaging, and lead them exactly to the place in the body that is the goal of treatment. At the same time, one can reduce the side effects that usually occur in the parts of the body that are not targets for treatment. Nanoparticles are of a size that can penetrate into cells. Their surface functionalization offers a way to increase their sensitivity when detecting target molecules. In addition, it increases the potential for flexibility in particle design, their therapeutic function, and variation possibilities in diagnostics. Mesoporous nanoparticles of amorphous silica have attractive physical and chemical characteristics such as particle morphology, controllable pore size, and high surface area and pore volume. Additionally, the surface functionalization of silica nanoparticles is relatively straightforward, which enables optimization of the interaction between the particles and the biological system. The main goal of this study was to prepare traceable and targetable silica nanoparticles for medical applications with a special focus on particle dispersion stability, biocompatibility, and targeting capabilities. Nanoparticle properties are highly particle-size dependent and a good dispersion stability is a prerequisite for active therapeutic and diagnostic agents. In the study it was shown that traceable streptavidin-conjugated silica nanoparticles which exhibit a good dispersibility could be obtained by the suitable choice of a proper surface functionalization route. Theranostic nanoparticles should exhibit sufficient hydrolytic stability to effectively carry the medicine to the target cells after which they should disintegrate and dissolve. Furthermore, the surface groups should stay at the particle surface until the particle has been internalized by the cell in order to optimize cell specificity. Model particles with fluorescently-labeled regions were tested in vitro using light microscopy and image processing technology, which allowed a detailed study of the disintegration and dissolution process. The study showed that nanoparticles degrade more slowly outside, as compared to inside the cell. The main advantage of theranostic agents is their successful targeting in vitro and in vivo. Non-porous nanoparticles using monoclonal antibodies as guiding ligands were tested in vitro in order to follow their targeting ability and internalization. In addition to the targeting that was found successful, a specific internalization route for the particles could be detected. In the last part of the study, the objective was to clarify the feasibility of traceable mesoporous silica nanoparticles, loaded with a hydrophobic cancer drug, being applied for targeted drug delivery in vitro and in vivo. Particles were provided with a small molecular targeting ligand. In the study a significantly higher therapeutic effect could be achieved with nanoparticles compared to free drug. The nanoparticles were biocompatible and stayed in the tumor for a longer time than a free medicine did, before being eliminated by renal excretion. Overall, the results showed that mesoporous silica nanoparticles are biocompatible, biodegradable drug carriers and that cell specificity can be achieved both in vitro and in vivo.

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.

Nanopatterning and functionalization of phospholipid-based Langmuir-Blodgett and Langmuir-Schaefer films

Durant les dernières décennies, la technique Langmuir-Blodgett (LB) s’est beaucoup développée dans l’approche « bottom-up » pour la création de couches ultra minces nanostructurées. Des patrons constitués de stries parallèles d’environ 100 à 200 nm de largeur ont été générés avec la technique de déposition LB de monocouches mixtes de 1,2-dilauroyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DLPC) et de 1,2-dipalmitoyl-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DPPC) sur des substrats de silicium et de mica. Afin d’amplifier la fonctionnalité de ces patrons, la 1-palmitoyl-2-(16-(S-methyldithio)hexadécanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDPPC) et la 1-lauroyl-2-(12-(S-methyldithio)dodédecanoyl)-sn-glycéro-3-phosphatidylcholine (DSDLPC) ont été employées pour la préparation de monocouches chimiquement hétérogènes. Ces analogues de phospholipide possèdent un groupement fonctionnel méthyldisulfide qui est attaché à la fin de l’une des chaînes alkyles. Une étude exhaustive sur la structure de la phase des monocouches Langmuir, Langmuir-Schaefer (LS) et LB de la DSDPPC et de la DSDLPC et leurs différents mélanges avec la DPPC ou la DLPC est présentée dans cette thèse. Tout d’abord, un contrôle limité de la périodicité et de la taille des motifs des stries parallèles de DPPC/DLPC a été obtenu en variant la composition lipidique, la pression de surface et la vitesse de déposition. Dans un mélange binaire de fraction molaire plus grande de lipide condensé que de lipide étendu, une vitesse de déposition plus lente et une plus basse pression de surface ont généré des stries plus continues et larges. L’addition d’un tensioactif, le cholestérol, au mélange binaire équimolaire de la DPPC/DLPC a permis la formation de stries parallèles à de plus hautes pressions de surface. La caractérisation des propriétés physiques des analogues de phospholipides a été nécessaire. La température de transition de phase de la DSDPPC de 44.5 ± 1.5 °C comparativement à 41.5 ± 0.3 °C pour la DPPC. L’isotherme de la DSDPPC est semblable à celui de la DPPC. La monocouche subit une transition de phase liquide-étendue-à-condensée (LE-C) à une pression de surface légèrement supérieure à celle de la DPPC (6 mN m-1 vs. 4 mN m-1) Tout comme la DLPC, la DSDLPC demeure dans la phase LE jusqu’à la rupture de la monocouche. Ces analogues de phospholipide existent dans un état plus étendu tout au long de la compression de la monocouche et montrent des pressions de surface de rupture plus basses que les phospholipides non-modifiés. La morphologie des domaines de monocouches Langmuir de la DPPC et de la DSDPPC à l’interface eau/air a été comparée par la microscopie à angle de Brewster (BAM). La DPPC forme une monocouche homogène à une pression de surface (π) > 10 mN/m, alors que des domaines en forme de fleurs sont formés dans la monocouche de DSDPPC jusqu’à une π ~ 30 mN m-1. La caractérisation de monocouches sur substrat solide a permis de démontrer que le patron de stries parallèles préalablement obtenu avec la DPPC/DLPC était reproduit en utilisant des mélanges de la DSDPPC/DLPC ou de la DPPC/DSDLPC donnant ainsi lieu à des patrons chimiquement hétérogènes. En général, pour obtenir le même état de phase que la DPPC, la monocouche de DSDPPC doit être comprimée à de plus hautes pressions de surface. Le groupement disulfide de ces analogues de phospholipide a été exploité, afin de (i) former des monocouches auto-assemblées sur l’or et de (ii) démontrer la métallisation sélective des terminaisons fonctionnalisées des stries. La spectrométrie de photoélectrons induits par rayons X (XPS) a confirmé que la monocouche modifiée réagit avec la vapeur d’or pour former des thiolates d’or. L’adsorption de l’Au, de l’Ag et du Cu thermiquement évaporé démontre une adsorption préférentielle de la vapeur de métal sur la phase fonctionnalisée de disulfide seulement à des recouvrements sub-monocouche.

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.

Synthesis and Photochemistry of a few Olefin appended Dibenzobarrelenes and Bisdibenzobarrelenes

The thesis entitled: ‘Synthesis and Photochemistry of a few Olefin appended Dibenzobarrelenes and Bisdibenzobarrelenes’ is divided into 5 chapters.In Chapter 1, the fundamental concepts of Diels-Alder reaction, di-r:methane rearrangement and energy transfer process in organic photochemistry is discussed.Chapter 2 presents the synthesis of 9-olefin appended anthracenes and bisanthracenes. The target of synthesising various bridgehead olefin appended dibenzobarrelenes and some novel bisdibenzobarrelenes, led us to the synthesis of the appropriate alkenylanthracenes and bisanthracenes as precursor molecules. Diels-Alder reaction was the synthetic tool for the preparation of the target olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes. This chapter attempts to throw light on our endeavours in synthesising the various 9-alkenylanthracenes and bisanthracenes.Chapter 3 deals with the synthesis of olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes. Ever since the discovery of di-It-methane rearrangement dibenzobarrelenes, tailored with dijferent substituents at various positions have always been a tool to photochemists in unravelling the mechanisms of light induced reactions. Our intention of analysing the role of a It-moiety at the bridgehead position of the dibenzobarrelene, was synthetically envisaged via the Diels-Alder reaction. Bisdibenzobarrelenes were synthesised through tandem Diels-Alder reaction. Various alkenylanthracenes and bisanthracenes were employed as dienes and the dienophiles used were dimethyl acetylenedicarboxylate and dibenzoylacetylene. In this chapter, we report our venture in synthesising the various olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes. Chapter 4 describes the preliminary time-resolved fluorescence studies of some olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes.To understand the primary and secondary physicochemical processes in a photochemical reaction it is necessary to characterise the excited states and the transient intermediates during their short lifetime. A number of methods developed on the basis of the physical properties of the transient species are available for their detection. Time-correlated single-photon counting technique has been utilised in the present study of the excited states of olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes. To understand the primary and secondary physicochemical processes in a photochemical reaction it is necessary to characterise the excited states and the transient intermediates during their short lifetime. A number of methods developed on the basis of the physical properties of the transient species are available for their detection. Time-correlated single-photon counting technique has been utilised in the present study of the excited states of olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes.Chapter 5 portrays the photochemistry of olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes. Dibenzocyclooctatetraene and dibenzosemibullvalene are the photoproducts obtained respectively through the singlet excited state and the triplet excited state of dibenzobarrelenes. Chemical literature shows evidences of the photoreactivity of dibenzobarrelenes generating both the singlet and triplet mediated photoproducts, in a single photoreaction. Our research target in synthesising various bridgehead olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes, was based on the perception that olefins are eflicient triplet quenchers, thereby quenching intramolecularly the triplet excited state of the barrelenes. A It-moiety at the bridgehead position of the dibenzobarrelene, creates a tetra tr-methane system, which similar to a 6li—7l' or tri-tr-methane systems, could be the fertile ground for interesting photochemical rearrangements. Our attempts in deciphering the photochemistry of the olefin appended dibenzobarrelenes and bisdibenzobarrelenes is the substance of this chapter.

Surface Functionalization of Monodisperse Magnetic Nanoparticles

We present a systematic methodology to functionalize magnetic nanoparticles through surface-initiated atom-transfer radical polymerization (ATRP). The magnetite nanoparticles are prepared according to the method proposed by Sun et al. (2004), which leads to a monodisperse population of ~ 6 nm particles stabilized by oleic acid. The functionalization of the nanoparticles has been performed by transforming particles into macro-initiators for the ATRP, and to achieve this two different routes have been explored. The first one is the ligand-exchange method, which consists of replacing some oleic acid molecules adsorbed on the particle surface with molecules that act as an initiator for ATRP. The second method consists in using the addition reaction of bromine to the oleic acid double bond, which turns the oleic acid itself into an initiator for the ATRP. We have then grown polymer brushes of a variety of acrylic polymers on the particles, including polyisopropylacrylamide and polyacrylic acid. The nanoparticles so functionalized are water soluble and show responsive behavior: either temperature responsive behavior when polyisopropylacrylamide is grown from the surface or PH responsive in the case of polyacrylic acid. This methodology has potential applications in the control of clustering of magnetic nanoparticles.

Ring-rearrangement metathesis of bicyclic amino acid derivatives

In this letter, we describe the ring-rearrangement metathesis (RRM) of bicyclic amino acid derivatives. The procedure is of use for the synthesis of constrained amino acid and peptide derivatives with potential as reverse-turn inducers. (c) 2005 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Ring-rearrangement metathesis of substituted 2-aminonorbornenes

In this report we describe the ring-rearrangement metathesis of 2-aminonorbornene derivatives. Ail efficient ruthenium-catalysed metathesis reaction Occurs with a wide range of pendent alkenes and alkynes to generate bicyclic amines and amides.

Sequential ring-closing metathesis and nitrone cycloaddition on glucose-derived substrates: a divergent approach to analogues of spiroannulated carbanucleosides and conformationally locked nucleosides

The carbohydrate-derived substrate 3-C-allyl-1,2: 5,6-di-O-isopropylidene-alpha-D-allofuranose was judiciously manipulated for preparing suitable synthons, which could be converted to a variety of isoxazolidino-spirocycles and -tricycles through the application of ring-closing metathesis (RCM) and intramolecular nitrone cycloaddition (INC) reactions. Cleavage of the isoxazolidine rings of some of these derivatives by tranfer hydrogenolysis followed by coupling of the generated amino functionalities with 5-amino-4,6-dichloropyrimidine furnished the corresponding chloropyrimidine nucleosides, which were elaborated to spiroannulated carbanucleosides and conformationally locked bicyclo[2.2.1] heptane/ oxa-bicyclo[3.2.1]octane nucleosides. However, use of higher temperature for the cyclization of one of the chloropyrimidines led to the dimethylaminopurine analogue as a sole product, formed via nucleophilic displacement of the chloro group by dimethylamine generated from DMF.

Asymmetric synthesis of cyclic β-amino acids and cyclic amines via sequential diastereoselective conjugate addition and ring closing metathesis

Diastereoselective conjugate addition of lithium (S)-N-allyl-N-alpha-methylbenzylamide to a range of alpha,beta-unsaturated esters followed by ring closing metathesis is used to afford efficiently a range of substituted cyclic beta-amino esters in high d.e. Alternatively, conjugate addition to alpha,beta-unsaturated Weinreb amides, functional group conversion and ring closing metathesis affords cyclic amines in high d.e. The further application of this methodology to the synthesis of a range of carbocyclic beta-amino esters via conjugate addition, enolate alkylation and ring closing metathesis is also described. Application of this methodology affords, after deprotection, (S)-homoproline, (S)-homopipecolic acid, (S)-coniine and (1S,2S)-trans-pentacin.