Interactions of chitosan/genipin hydrogels during drug delivery: a QSPR approach

A hydrogel comprised of chitosan crosslinked using the low-toxicity crosslinker genipin was prepared, and the absorption of glibenclamide by the hydrogel was investigated. Optimized structures and their molecular electrostatic potentials were calculated using the AM1 method, and the results were used to evaluate the molecular interactions between the three compounds. The quantitative structure-property relationship model was also used to estimate the activity of the chemicals on the basis their molecular structures. In addition, theoretical Fourier transform infrared spectra were calculated to analyze the intermolecular interactions in the proposed system. Finally, the hydrophilicity of the hydrogel and its influence on the absorption process were also estimated.

PREDICTING THE BOILING POINT OF PCDD/Fs BY THE QSPR METHOD BASED ON THE MOLECULAR DISTANCE-EDGE VECTOR INDEX

The quantitative structure property relationship (QSPR) for the boiling point (Tb) of polychlorinated dibenzo-p-dioxins and polychlorinated dibenzofurans (PCDD/Fs) was investigated. The molecular distance-edge vector (MDEV) index was used as the structural descriptor. The quantitative relationship between the MDEV index and Tb was modeled by using multivariate linear regression (MLR) and artificial neural network (ANN), respectively. Leave-one-out cross validation and external validation were carried out to assess the prediction performance of the models developed. For the MLR method, the prediction root mean square relative error (RMSRE) of leave-one-out cross validation and external validation was 1.77 and 1.23, respectively. For the ANN method, the prediction RMSRE of leave-one-out cross validation and external validation was 1.65 and 1.16, respectively. A quantitative relationship between the MDEV index and Tb of PCDD/Fs was demonstrated. Both MLR and ANN are practicable for modeling this relationship. The MLR model and ANN model developed can be used to predict the Tb of PCDD/Fs. Thus, the Tb of each PCDD/F was predicted by the developed models.

Découverte et application de nouveaux motifs d'association propres à l'hexaphénylbenzène et à ses dérivés

Les propriétés des matériaux moléculaires proviennent à la fois de la structure des composantes individuelles et de la façon dont elles s’associent. Ce dernier aspect reste difficile à contrôler, malgré de grandes avancées en science des matériaux. Pour mieux comprendre la relation structure-propriétés, nous avons entrepris une étude systématique de l'hexaphénylbenzène et de ses dérivés, qui offrent une charpente symétrique et rigide. En premier lieu, nous avons attaché six groupements diaminotriazinyles sur l’hexaphénylbenzène afin de produire des réseaux tridimensionnels hautement poreux maintenus par des ponts hydrogène. En modifiant systématiquement le coeur moléculaire, nous avons excisé près du tiers de la molécule-mère, générant des réseaux supramoléculaires dont la porosité s’est élevée graduellement jusqu’à 75%, équivalant ainsi le record pour ce type de matériaux. Ensuite, nous avons étudié le comportement de l’hexakis(4-nitrophényl)benzène. Dans les structures cristallines obtenues, des interactions non-covalentes entre groupements nitro démontrent leur potentiel en chimie supramoléculaire. Le coeur moléculaire ne joue qu’un rôle secondaire dans l’empilement des molécules : seules quelques interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène sont évidentes. Cette dernière observation nous a poussés à étudier le comportement à l’état cristallin de l’hexaphénylbenzène et ses dérivés. En scrutant attentivement neuf structures cristallines de ces composés, nous avons décerné la présence récurrente d’interactions C-H•••π impliquant le cycle aromatique central. Cette association caractéristique a été exploitée pour créer des réseaux supramoléculaires maintenus par des interactions C-H•••π sélectives entre un groupement éthynyle et le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène. Finalement, nous avons joint le côté sombre de l’ingénierie cristalline en utilisant nos connaissances dans le but d’empêcher la formation d’interactions directionnelles. En protégeant le cycle aromatique central de l’hexaphénylbenzène à l’aide de groupements alkyles, les interactions C-H•••π ont été pratiquement éliminées. Ces résultats offrent la possibilité de créer de nouveaux matériaux amorphes. Dans ces études, focalisées sur le système hexaphénylbenzène, nous avons mis en relief des phénomènes qui sont obscurcis dans d'autres familles de molécules. De plus, ce système a grandement facilité l’utilisation d’une approche méthodique pour explorer la relation structure-propriétés. Nos travaux nous ont amenés à des conclusions de valeur universelle en science des matériaux moléculaires.

Développement de modèles prédictifs de la toxicocinétique de substances organiques

Les modèles pharmacocinétiques à base physiologique (PBPK) permettent de simuler la dose interne de substances chimiques sur la base de paramètres spécifiques à l’espèce et à la substance. Les modèles de relation quantitative structure-propriété (QSPR) existants permettent d’estimer les paramètres spécifiques au produit (coefficients de partage (PC) et constantes de métabolisme) mais leur domaine d’application est limité par leur manque de considération de la variabilité de leurs paramètres d’entrée ainsi que par leur domaine d’application restreint (c. à d., substances contenant CH3, CH2, CH, C, C=C, H, Cl, F, Br, cycle benzénique et H sur le cycle benzénique). L’objectif de cette étude est de développer de nouvelles connaissances et des outils afin d’élargir le domaine d’application des modèles QSPR-PBPK pour prédire la toxicocinétique de substances organiques inhalées chez l’humain. D’abord, un algorithme mécaniste unifié a été développé à partir de modèles existants pour prédire les PC de 142 médicaments et polluants environnementaux aux niveaux macro (tissu et sang) et micro (cellule et fluides biologiques) à partir de la composition du tissu et du sang et de propriétés physicochimiques. L’algorithme résultant a été appliqué pour prédire les PC tissu:sang, tissu:plasma et tissu:air du muscle (n = 174), du foie (n = 139) et du tissu adipeux (n = 141) du rat pour des médicaments acides, basiques et neutres ainsi que pour des cétones, esters d’acétate, éthers, alcools, hydrocarbures aliphatiques et aromatiques. Un modèle de relation quantitative propriété-propriété (QPPR) a été développé pour la clairance intrinsèque (CLint) in vivo (calculée comme le ratio du Vmax (μmol/h/kg poids de rat) sur le Km (μM)), de substrats du CYP2E1 (n = 26) en fonction du PC n octanol:eau, du PC sang:eau et du potentiel d’ionisation). Les prédictions du QPPR, représentées par les limites inférieures et supérieures de l’intervalle de confiance à 95% à la moyenne, furent ensuite intégrées dans un modèle PBPK humain. Subséquemment, l’algorithme de PC et le QPPR pour la CLint furent intégrés avec des modèles QSPR pour les PC hémoglobine:eau et huile:air pour simuler la pharmacocinétique et la dosimétrie cellulaire d’inhalation de composés organiques volatiles (COV) (benzène, 1,2-dichloroéthane, dichlorométhane, m-xylène, toluène, styrène, 1,1,1 trichloroéthane et 1,2,4 trimethylbenzène) avec un modèle PBPK chez le rat. Finalement, la variabilité de paramètres de composition des tissus et du sang de l’algorithme pour les PC tissu:air chez le rat et sang:air chez l’humain a été caractérisée par des simulations Monte Carlo par chaîne de Markov (MCMC). Les distributions résultantes ont été utilisées pour conduire des simulations Monte Carlo pour prédire des PC tissu:sang et sang:air. Les distributions de PC, avec celles des paramètres physiologiques et du contenu en cytochrome P450 CYP2E1, ont été incorporées dans un modèle PBPK pour caractériser la variabilité de la toxicocinétique sanguine de quatre COV (benzène, chloroforme, styrène et trichloroéthylène) par simulation Monte Carlo. Globalement, les approches quantitatives mises en œuvre pour les PC et la CLint dans cette étude ont permis l’utilisation de descripteurs moléculaires génériques plutôt que de fragments moléculaires spécifiques pour prédire la pharmacocinétique de substances organiques chez l’humain. La présente étude a, pour la première fois, caractérisé la variabilité des paramètres biologiques des algorithmes de PC pour étendre l’aptitude des modèles PBPK à prédire les distributions, pour la population, de doses internes de substances organiques avant de faire des tests chez l’animal ou l’humain.

Développement de composés conjugués en étoile de première génération incluant des liens azométhines et études électrochimiques et photophysiques

Les matériaux conjugués sont de nos jours très utilisés dans de nombreuses applications ainsi qu’en recherche. L’enchainement des liaisons π-σ-π permet la délocalisation des électrons et d’obtenir différentes propriétés comme la conduction, la fluorescence, la chélation, etc. Ainsi, de nombreux dispositifs utilisent ces caractéristiques en vue d’obtenir de nouveaux matériaux révolutionnaires comme les cellules solaires, les transistors à effet de champs, les dispositifs électrochromiques, etc.. Les dispositifs électrochromiques font partie des dispositifs en vogue. Ils sont capables de changer de couleur selon le potentiel électrique appliqué. Ils se distinguent par la simplicité du mode de conception et ils ne nécessitent pas de fonctionner dans des conditions drastiques comme une atmosphère contrôlée. Ces dispositifs sont actuellement utilisés et commercialisés comme fenêtre intelligente, camouflage, papier électronique et carte de visite personnalisée pour n’en nommer que quelques-uns. Deux propriétés sont essentielles pour que des composés puissent être utilisés dans ces familles de dispositifs : la réversibilité à l’oxydation et la stabilité à l’air et à la lumière. Dans le groupe de recherche du professeur W.G. Skene, l’axe principal de recherche est basé sur la conception de nouveaux matériaux conducteurs comportant des liaisons azométhines. Les principaux matériaux étudiés sont des dérivés de thiophènes et de fluorènes. De précédents résultats ont montré que plusieurs produits issus de la réaction de condensation entre les dérivés du 2,5-diaminothiophène et de thiophènes diformylés menaient à des produits possédant d’excellentes propriétés photophysiques et électrochimiques. C’est en partant de ces résultats encourageants qu’il a été choisi de synthétiser une nouvelle famille de produits avec un nouveau substrat fonctionnalisé. Ce dernier possède d’excellentes propriétés électrochimiques et photophysiques : la triphénylamine. Deux familles de produits ont été synthétisées qui possèdent toutes comme cœur une triphénylamine. Cette dernière a été modifiée de façon à créer une, deux ou trois liaisons azométhines avec différents thiophènes. Deux dérivés du thiophène ont été choisis afin d’étudier l’influence des groupements donneurs et accepteurs sur ces nouveaux types de composés encore jamais étudiés. Les résultats des différentes synthèses et analyses ont été effectués par RMN, spectrométrie de masse, spectrométrie d’absorbance UV-Visible, fluorescence et voltampérométrie cyclique sont rapportées dans le présent recueil.

Développement de nouveaux sels Binol-imidazoliums : de la catalyse asymétrique aux applications biologiques

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines.

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

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

Tailoring the Microwave Dielectric Properties of GdTiNb 1 _-xTa,O6 and Sm 1 _X Y,TiTa06 Ceramics

Microwave dielectric ceramics based on GdTiNb,-,.Ta,O6 and Sml _.,Y,TiTa06 have been prepared by conventional solid state method . The GdTiTaO6 and SmTiTaO6 have aeschenite structure with positive rr and GdTiNbO6 and YTiTaO6 have euxenite structure with negative rr. The rr of the ceramics has been tuned by preparing solid solution phases between the aeschynites and euxenites for a possible zero rr material . It is observed that GdTiNbt_YTa.,O6 undergoes a phase transition from aeschynite to euxenite when x=0.75 and in Sml-,YxTiTa06 for x= 0.73. The microwave dielectric properties change abruptly near the transition region . The rr value approaches zero near the phase transition region while the samples have poor sinterability and poor quality factor . The unloaded quality factor, dielectric constant and the sign of rr of the solid solution phases are found to depend on the average ionic radius of the rare earth ion in RE ,-5RE',TiTaO6. The boundary of the euxenite-aeschynite phase transition occurs at an average ( RE) ionic radius of 0.915 A in Sm,_, Y,.TiTaO6 solid solution phases

Sobre les relacions lineals d'energia lliure: mesures de semblança molecular quàntica sobre funcions de densitat electrònica modificad

En aquest treball es presenta l'ús de funcions de densitat electrònica de forat de Fermi per incrementar el paper que pren una regió molecular concreta, considerada com a responsable de la reactivitat molecular, tot i mantenir la mida de la funció de densitat original. Aquestes densitats s'utilitzen per fer mesures d'autosemblança molecular quàntica i es presenten com una alternativa a l'ús de fragments moleculars aillats en estudis de relació entre estructura i propietat. El treball es complementa amb un exemple pràctic, on es correlaciona l'autosemblanca molecular a partir de densitats modificades amb l'energia d'una reacció isodòsmica

Relacions estructura-propietat per un conjunt d'hidrocarburs a partir de nous descriptors tridimensionals derivats de la semblança molecular quàntica

En aquest article es defineixen uns nous índexs tridimensionals per a la descripció de les molècules a partir de paràmetres derivats de la Teoria de la Semblança Molecular i de les distàncies euclidianes entre els àtoms i les càrregues atòmiques efectives. Aquests indexs, anomenats 3D, s'han aplicat a l'estudi de les relacions estructura-propietat d'una família d'hidrocarburs, i han demostrat una capacitat de descripció de tres propietats de la família (temperatura d'ebullició, temperatura de fusió i densitat) molt més acurada que quan s'utilitzen els indexs 2D clàssics

Joint multiple dictionary learning for tensor sparse coding

Traditional dictionary learning algorithms are used for finding a sparse representation on high dimensional data by transforming samples into a one-dimensional (1D) vector. This 1D model loses the inherent spatial structure property of data. An alternative solution is to employ Tensor Decomposition for dictionary learning on their original structural form —a tensor— by learning multiple dictionaries along each mode and the corresponding sparse representation in respect to the Kronecker product of these dictionaries. To learn tensor dictionaries along each mode, all the existing methods update each dictionary iteratively in an alternating manner. Because atoms from each mode dictionary jointly make contributions to the sparsity of tensor, existing works ignore atoms correlations between different mode dictionaries by treating each mode dictionary independently. In this paper, we propose a joint multiple dictionary learning method for tensor sparse coding, which explores atom correlations for sparse representation and updates multiple atoms from each mode dictionary simultaneously. In this algorithm, the Frequent-Pattern Tree (FP-tree) mining algorithm is employed to exploit frequent atom patterns in the sparse representation. Inspired by the idea of K-SVD, we develop a new dictionary update method that jointly updates elements in each pattern. Experimental results demonstrate our method outperforms other tensor based dictionary learning algorithms.

Cellulose swelling by aprotic and protic solvents: What are the similarities and differences?

The swelling of microcrystalline, native and mercerized cotton and eucalyptus celluloses by 16 aprotic solvents was investigated. The number of moles of solvent/anhydroglucose unit, nSw, correlates well with solvent molar volume, basicity and dipolarity/polarizability. Swelling is sensitive to cellulose crystallite size, surface area and the presence of its chains in parallel or anti-parallel arrangements. Use of solvatochromic parameters is a superior alternative to the use of other descriptors, such as Hildebrand`s solubility parameters and Gutmann`s donor numbers. The calculated nSw for 28 protic and aprotic solvents correlated well with their experimental counterparts, although hydrogen bond donation by the solvent was not included.

Characterization of banana, sugarcane bagasse and sponge gourd fibers of Brazil

In recent times, increasing attention has been paid to the use of renewable resources particularly of plant origin keeping in view the ecological concerns, renewability and many governments passing laws for the use of such materials. On the other hand, despite abundant availability of lignocellulosic materials in Brazil, very few attempts have been made about their utilization, probably due to lack of sufficient structure/property data. Systematic studies to know their properties and morphology may bridge this gap while leading to value addition to these natural materials. Chemical composition, X-ray powder diffraction, and morphological studies and thermal behavior aspects in respect of banana, sugarcane bagasse sponge gourd fibers of Brazilian origin are presented. Chemical compositions of the three fibers are found to be different than those reported earlier. X-ray diffraction patterns of these three fibers exhibit mainly cellulose type I structure with the crystallinity indices of 39%, 48% and 50% respectively for these fibers. Morphological studies of the fibers revealed different sizes and arrangement of cells. Thermal stability of all the fibers is found to be around 200 degrees C. Decomposition of both cellulose and hemicelluloses in the fibers takes place at 300 degrees C and above, while the degradation of fibers takes place above 400 degrees C. These data may help finding new uses for these fibers. (C) 2009 Elsevier B.V. All rights reserved.

Developing descriptors to predict mechanical properties of nanotubes

Descriptors and quantitative structure property relationships (QSPR) were investigated for mechanical property prediction of carbon nanotubes (CNTs). 78 molecular dynamics (MD) simulations were carried out, and 20 descriptors were calculated to build quantitative structure property relationships (QSPRs) for Young's modulus and Poisson's ratio in two separate analyses: vacancy only and vacancy plus methyl functionalization. In the first analysis, C N2/CT (number of non-sp2 hybridized carbons per the total carbons) and chiral angle were identified as critical descriptors for both Young's modulus and Poisson's ratio. Further analysis and literature findings indicate the effect of chiral angle is negligible at larger CNT radii for both properties. Raman spectroscopy can be used to measure CN2/C T, providing a direct link between experimental and computational results. Poisson's ratio approaches two different limiting values as CNT radii increases: 0.23-0.25 for chiral and armchair CNTs and 0.10 for zigzag CNTs (surface defects <3%). In the second analysis, the critical descriptors were CN2/CT, chiral angle, and MN/CT (number of methyl groups per total carbons). These results imply new types of defects can be represented as a new descriptor in QSPR models. Finally, results are qualified and quantified against experimental data. © 2013 American Chemical Society.

Mechanical and Thermal Properties of Thermoplastic Random Copolyesters Made from Lipid- Derived Medium and Long Chain Poly (x-hydroxyfatty acid) s

The physical properties of novel thermoplastic random copolyesters [-(CH2)(n)-COO-/-(CH2)(n)-COO-](x) made of long (n=12) and medium (n=8) chain length -hydroxyfatty esters [HO-(CH2)(n)-COOCH3] derived from bio-based vegetable oil feedstock are described. Poly(-hydroxy tridecanoate/-hydroxy nonanoate) P(-Me13-/-Me9-) random copolyesters (M-n=11,000-18,500 g/mol) with varying molar ratios were examined by TGA, DSC, DMA and tensile analysis, and WAXD. For the whole range of P(-Me13-/-Me9-) compositions, the WAXD data indicated an orthorhombic polyethylene-like crystal packing. Their melting characteristics, determined by DSC, varied with composition suggesting an isomorphic cocrystallization behavior. TGA of the P(-Me13-/-Me9-)s indicated improved thermal stability determined by their molar compositions. The glass transition temperature, investigated by DMA, was also found to vary with composition. The crystallinities of P(-Me13-/-Me9-)s however, were unaffected by the composition. The stiffness (Young's modulus) of these materials was found to be related to their degrees of crystallinity. (c) 2014 Wiley Periodicals, Inc. J. Appl. Polym. Sci. 2014, 131, 40492.