Síntese estereosseletiva da naftotectona

Tese (doutorado)—Universidade de Brasília, Instituto de Química, 2016.

Biological and chemical strategies for the recovery of precious and rare metals as nanoparticles

Tese de Doutoramento, Ciências do Mar da Terra e do Ambiente, Ramo: Ciências e Tecnologias do Ambiente, Especialidade em Biotecnologia, Faculdade de Ciências e Tecnologia, Universidade do Algarve, 2016

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.

I. Synthetic Studies Toward the Total Synthesis of Polycyclic Natural Products – Communesin F, Perophoramidine and Ineleganolide. II. Nickel Catalyzed Intramolecular C–O Bond Formation

Expedient synthetic approaches to the highly functionalized polycyclic alkaloids communesin F and perophoramidine are described using a unified approach featuring a key decarboxylative allylic alkylation to access a crucial and highly congested 3,3-disubstituted oxindole. Described are two distinct, stereoselective alkylations that produce structures in divergent diastereomeric series possessing the critical vicinal all-carbon quaternary centers needed for each synthesis. Synthetic studies toward these challenging core structures have revealed a number of unanticipated modes of reactivity inherent to these complex alkaloid scaffolds. Finally, a previously unknown mild and efficient deprotection protocol for the o-nitrobenzyl group is disclosed – this serendipitous discovery permitted a concise endgame for the formal syntheses of both communesin F and perophoramidine.

In addition, the atroposelective synthesis of PINAP ligands has been accomplished via a palladium-catalyzed C–P coupling process through dynamic kinetic resolution. These catalytic conditions allow access to a wide variety of alkoxy- and benzyloxy-substituted PINAP ligands in high enantiomeric excess.

An efficient and exceptionally mild intramolecular nickel-catalyzed carbon–oxygen bond-forming reaction between vinyl halides and primary, secondary, and tertiary alcohols has been achieved. This operationally simple method allows direct access to cyclic vinyl ethers in high yields in a single step.

Finally, synthetic studies toward polycyclic ineleganolide are described. The entire fragmented carbon framework has been constructed from this work. Highly (Z)-selective olefination was achieved by the method by the Ando group.

Site Specifc Growth of Metal Catalyzed Silica Nanowires for Biological and Chemical Sensing

In this research the integration of nanostructures and micro-scale devices was investigated using silica nanowires to develop a simple yet robust nanomanufacturing technique for improving the detection parameters of chemical and biological sensors. This has been achieved with the use of a dielectric barrier layer, to restrict nanowire growth to site-specific locations which has removed the need for post growth processing, by making it possible to place nanostructures on pre-pattern substrates. Nanowires were synthesized using the Vapor-Liquid-Solid growth method. Process parameters (temperature and time) and manufacturing aspects (structural integrity and biocompatibility) were investigated. Silica nanowires were observed experimentally to determine how their physical and chemical properties could be tuned for integration into existing sensing structures. Growth kinetic experiments performed using gold and palladium catalysts at 1050 ˚C for 60 minutes in an open-tube furnace yielded dense and consistent silica nanowire growth. This consistent growth led to the development of growth model fitting, through use of the Maximum Likelihood Estimation (MLE) and Bayesian hierarchical modeling. Transmission electron microscopy studies revealed the nanowires to be amorphous and X-ray diffraction confirmed the composition to be SiO2 . Silica nanowires were monitored in epithelial breast cancer media using Impedance spectroscopy, to test biocompatibility, due to potential in vivo use as a diagnostic aid. It was found that palladium catalyzed silica nanowires were toxic to breast cancer cells, however, nanowires were inert at 1µg/mL concentrations. Additionally a method for direct nanowire integration was developed that allowed for silica nanowires to be grown directly into interdigitated sensing structures. This technique eliminates the need for physical nanowire transfer thus preserving nanowire structure and performance integrity and further reduces fabrication cost. Successful nanowire integration was physically verified using Scanning electron microscopy and confirmed electrically using Electrochemical Impedance Spectroscopy of immobilized Prostate Specific Antigens (PSA). The experiments performed above serve as a guideline to addressing the metallurgic challenges in nanoscale integration of materials with varying composition and to understanding the effects of nanomaterials on biological structures that come in contact with the human body.

Pedagogical Appropriation of Information and Communication Technologies (ICT) by West African Educators = Appropriation pédagogique des technologies de l’information et de la communication (TIC) par les éducateurs ouest-africains

Œuvre dédiée à Alioune Camara; merci au Prof. Denis Dougnon de l’Université de Bamako pour le parrainage

Pedagogical Appropriation of Information and Communication Technologies (ICT) by West African Educators = Appropriation pédagogique des technologies de l’information et de la communication (TIC) par les éducateurs ouest-africains

Œuvre dédiée à Alioune Camara; merci au Prof. Denis Dougnon de l’Université de Bamako pour le parrainage

Conception d’un dispositif d’apprentissage en ligne, selon le modèle ADDIE, portant sur la compétence en asepsie du programme collégial Techniques de denturologie

Nous avons choisi d’orienter cet essai sur la conception et le développement d’un dispositif d’apprentissage pour aider les enseignantes et enseignants à améliorer la compétence des stagiaires en matière d’asepsie de l’instrumentation dentaire lors de stages cliniques du programme de techniques de denturologie du cégep Édouard-Montpetit. L’idée d’un tel dispositif d’apprentissage prend racine à partir d’observations concrètes et récurrentes. En effet, depuis plusieurs années les enseignantes et enseignants du département de Techniques de denturologie ont pu remarquer des lacunes dans l’application des mesures d’asepsie, tout particulièrement celles de l’instrumentation dentaire. Le contexte particulier de la pratique de la prosthodontie, les risques élevés de contamination croisée, l’usage d’un grand nombre d’instruments dentaires, le manque de matériel didactique et d’activités d’apprentissage spécifiques à la pratique de la denturologie et l’inexistence d’un protocole d’asepsie au département de Techniques de denturologie font qu’il est difficile d’accroître la compétence des stagiaires en matière d’asepsie dentaire. Le cadre de référence a permis de circonscrire notre dispositif d’apprentissage développé dans le projet de cet essai. Nous avons donc exploré les différents modèles de téléapprentissage et appuyé notre choix sur ceux proposés par Paquette (2005a). Ainsi nous avons choisi de retenir deux modèles de téléapprentissage, soit l’autoformation Web-hypermédia et la formation en ligne. Nous avons aussi regardé les principes soutenant l’ingénierie pédagogique et les différents modèles permettant l’application d’un processus systémique à la conception et au développement d’un dispositif d’apprentissage en s’appuyant sur le modèle ADDIE (Analyse-Design- Développement-Implantation-Évaluation), plus particulièrement celui de Lebrun (2007). L’approche méthodologique retenue pour cet essai est qualitative / interprétative. Le type de notre essai est basé sur une démarche de recherche développement proposée par Harvey et Loiselle (2009) qui est liée à la conception d’un dispositif d’apprentissage. Nous avons pu compter sur la collaboration d’enseignantes et enseignants du département de denturologie du cégep Édouard-Montpetit afin de valider trois des cinq étapes du modèle ADDIE, soit l’analyse, le design et le développement. Les résultats obtenus auprès des enseignantes et enseignants du département ont démontré que le modèle ADDIE de Lebrun (2007) s’est avéré un processus systémique adéquat et efficace qui a permis de concevoir et développer un dispositif d’apprentissage efficient. En ce qui a trait aux pistes futures, il sera intéressant d’expérimenter ce dispositif d’apprentissage auprès des stagiaires en denturologie afin de mesurer leur intérêt à ce mode d’accès à la connaissance et leur perception à l’égard de leur compétence sur l’asepsie de l’instrumentation dentaire. Il sera possible ainsi d’envisager la pertinence d’intégrer cette formation en ligne à l’intérieur du stage clinique voire même dans d’autres cours du programme. De plus, une recherche pourrait aussi être conduite auprès de stagiaires d’un programme collégial similaire, soit celui de Techniques d’hygiène dentaire dans lequel les stagiaires font aussi un stage clinique à l’intérieur du Cégep. Une autre recherche permettrait d’expérimenter ce dispositif d’apprentissage auprès des denturologistes du Québec. Ce faisant, des chercheuses et des chercheurs pourraient comparer la perception de l’amélioration de la compétence de l’asepsie de l’instrumentation dentaire des denturologistes à celle des stagiaires. Enfin, une avenue qui serait possible serait celle où des chercheuses et des chercheurs pourraient s’intéresser à l’usage même des technologies de l’information et de la communication (TIC) en déterminant dans quelle mesure les « ressources d’enseignement et d’apprentissage (REA) » (Poellhuber et Fournier St-Laurent, 2014, p. 163) pourraient être les plus significatives à l’apprentissage et mesurer ainsi l’effet catalyseur des REA sur les pratiques d’apprentissage des stagiaires.

Production de biodiesel à partir de microalgues par catalyses homogène et hétérogène

Résumé : Au Canada, près de 80% des émissions totales, soit 692 Mt eq. CO[indice inférieur 2], des gaz à effet de serre (GES) sont produits par les émissions de dioxyde de carbone (CO[indice inférieur 2]) provenant de l’utilisation de matières fossiles non renouvelables. Après la Conférence des Nations Unies sur les changements climatiques, COP21 (Paris, France), plusieurs pays ont pour objectif de réduire leurs émissions de GES. Dans cette optique, les microalgues pourraient être utilisées pour capter le CO[indice inférieur 2] industriel et le transformer en biomasse composée principalement de lipides, de glucides et de protéines. De plus, la culture des microalgues n’utilise pas de terre arable contrairement à plusieurs plantes oléagineuses destinées à la production de biocarburants. Bien que les microalgues puissent être transformées en plusieurs biocarburants tels le bioéthanol (notamment par fermentation des glucides) ou le biométhane (par digestion anaérobie), la transformation des lipides en biodiesel pourrait permettre de réduire la consommation de diesel produit à partir de pétrole. Cependant, les coûts reliés à la production de biodiesel à partir de microalgues demeurent élevés pour une commercialisation à court terme en partie parce que les microalgues sont cultivées en phase aqueuse contrairement à plusieurs plantes oléagineuses, ce qui augmente le coût de récolte de la biomasse et de l’extraction des lipides. Malgré le fait que plusieurs techniques de récupération des lipides des microalgues n’utilisant pas de solvant organique sont mentionnées dans la littérature scientifique, la plupart des méthodes testées en laboratoire utilisent généralement des solvants organiques. Les lipides extraits peuvent être transestérifiés en biodiesel en présence d’un alcool tel que le méthanol et d’un catalyseur (catalyses homogène ou hétérogène). Pour la commercialisation du biodiesel à partir de microalgues, le respect des normes ASTM en vigueur est un point essentiel. Lors des essais en laboratoire, il a été démontré que l’extraction des lipides en phase aqueuse était possible afin d’obtenir un rendement maximal en lipides de 36% (m/m, base sèche) en utilisant un prétraitement consistant en une ébullition de la phase aqueuse contenant les microalgues et une extraction par des solvants organiques. Pour l’estérification, en utilisant une résine échangeuse de cations (Amberlyst-15), une conversion des acides gras libres de 84% a été obtenue à partir des lipides de la microalgue Chlorella protothecoïdes dans les conditions suivantes : température : 120°C, pression autogène, temps de réaction : 60 min, ratio méthanol/lipides: 0.57 mL/g et 2.5% (m/m) Amberlyst-15 par rapport aux lipides. En utilisant ces conditions avec une catalyse homogène (acide sulfurique) et une seconde étape alcaline avec de l’hydroxyde de potassium (température : 60°C ; temps de réaction : 22.2 min; ratio catalyseur microalgue : 2.48% (m/m); ratio méthanol par rapport aux lipides des microalgues : 31.4%), un rendement en esters méthyliques d’acides gras (EMAG) de 33% (g EMAG/g lipides) a été obtenu à partir des lipides de la microalgue Scenedesmus Obliquus. Les résultats démontrent que du biodiesel peut être produit à partir de microalgues. Cependant, basé sur les présents résultats, il sera necessaire de mener d’autre recherche pour prouver que les microalgues sont une matière première d’avenir pour la production de biodiesel.

Avenues de synthèse d’un matériau magnétique multifonctionnel à des fins de catalyse hétérogène

La catalyse est à la base de la fabrication de médicaments, de produits textiles, d‘engrais, des pots d’échappement, et une multitude d’autres applications de notre quotidien. En effet, dans les pays industrialisés jusqu’à 80% des produits manufacturés utilisés au quotidien ont nécessité au moins une étape de catalyse lors de leur fabrication. Outre être actif, il est primordial pour un catalyseur performant d’être résistant à la désactivation qui se traduit par la perte d’activité ou de sélectivité d’un catalyseur au cours du temps. La synthèse d’un matériau multifonctionnel permet de répondre à ces différents critères. L’objectif d’un design intelligent de matériaux est de mener à des effets synergiques de chacune des composantes. Pour un catalyseur, en plus d’être actif et sélectif pour le produit désiré, il faut en plus qu’il soit durable, stable dans le temps, et permette d’être réutilisable. L’objectif de ce projet est de faire une synthèse originale, simple et reproductible d’un catalyseur actif et résistant à la désactivation. De base, un catalyseur se compose d’un support et d’un matériau actif. La nature, la morphologie et l’agencement de ces derniers dictent le comportement chimique du catalyseur final. Comme matériau actif, les nanoparticules d’or sont très prisées en raison de leur potentiel de catalyse élevée pour de nombreuses réactions. Cependant, aux températures de fonctionnement de la catalyse, les nanoparticules d’or ont tendance à se désactiver par coalescence. Pour remédier à cela, il est possible de déposer une couche de silice mésoporeuse afin de protéger les NPs d’or des rudes conditions de réaction tout en étant perméables aux espèces réactives. Plusieurs types de matériaux peuvent servir de support aux nanoparticules d’or. À ce titre, les particules d’oxydes de fer magnétiques telles que la magnétite (Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4]) sont intéressantes pour leur potentiel hyperthermique, phénomène par lequel des nanoparticules (NPs) magnétiques transforment de l’énergie électromagnétique provenant d’un champ externe haute fréquence en chaleur, créant ainsi des nano-fours. Une première couche de silice est utilisée comme matrice de greffage afin de fixer les nanoparticules d’or sur la magnétite. La structure visée est illustrée à la Figure ci-dessous. Figure 1 Structure du catalyseur de Fe2O4@SiO2-Au-SiO2m (Ge, Zhang, Zhang, & Yin, 2008) Plusieurs avenues d’assemblage et de synthèse sont explorées pour chacune des composantes de la structure visée. Les avantages et inconvénients ainsi que des mécanismes sont proposés pour chaque voie de synthèse. Le matériau est utilisé comme catalyseur pour la réaction de réduction du 4-Nitrophénol par du NaBH4. Pour ce qui est de la synthèse de magnétite par voie solvothermique, il a été démontré qu’il était important d’être dans un milieu sous pression puisque l’étape limitante de la réaction est la solubilité des particules de magnétites dans le milieu. Cela est en accord avec le principe de mûrissement d’Ostwald selon lequel les petites particules ont tendance à se dissoudre dans le milieu et précipiter à la surface des plus grosses particules de façon à diminuer l’énergie interfaciale. Cette synthèse a été reproduite avec succès et a mené à la production de nanoparticules de Fe[indice inférieur 3]O[indice inférieur 4] sphériques creuses d’une taille de 150 [plus ou moins] 30nm. Ces sphères creuses ont été recouvertes d’une couche de silice dense par une méthode de Stöber modifiée. Le recouvrement forme des amas de particules et est non uniforme en raison de la présence de poly(éthlyène glycol) à la sur face de la magnétite, un adjuvant présent lors de sa synthèse afin d’améliorer la dispersion de la magnétite. La synthèse et le greffage d’AuNPs sont bien maîtrisés : les AuNPs ont une taille de 17 [plus ou moins] 6nm et la quantité d’or greffé est assez élevée. Ultimement, une méthode de greffage alternative tel que le greffage par croissance in situ de nanoparticules d’or pourrait être emprunté afin d’obtenir des particules plus petites. Pour ce qui est de la formation d’une couche de silice mésoporeuse, la méthode par calcination est une meilleure option que par gravure chimique en raison de sa sélectivité envers la couche externe de silice plus élevée ainsi que la formation apparente de pores.

Reductive dechlorination of TCE and cis-DCE by zero-valent iron and iron-based bimetallic reductants

CEs are the most frequently detected pollutants in groundwater. Several studies have been shown iron-based bimetallic reductants as a good method toward to chlorinated ethylenes degradation. However, many fundamental issues surrounding the chemistry of this phenomena remains elusive. In this study, kinetics and compound specific isotope analysis for reductive dechlorination of TCE and cis-DCE by unamended iron and iron-based bimetal reductants was evaluated. Generally, all the bimetals reductants tested revealed to increase the reactivity of the degradation, in which palladium and nickel were the additional metals more reactive. Ethene and ethane were the major products of TCE degradation. It is supported the simultaneous hydrogenolysis and β-elimination reaction hypothesis, however, the first step of TCE degradation by Au/Fe undergoes preferably by β-elimination, while by unamended iron, Pt/Fe and Co/Fe goes preferably by hydrogenolysis. No apparent elucidation was obtained to explain the high reactivity on bimetals systems; Degradação do TCE e cis-DCE por ferro de valência zero e redutores bimetálicos à base de ferro Resumo: Etilenos clorados são os poluentes mais frequentemente detetados na água subterrânea. Vários estudos têm mostrado que redutores bimetálicos à base de ferro são um bom método para a degradação dos etilenos clorados. Porém, muitas questões fundamentais acerca da química deste fenómeno permanecem elusivas. Neste estudo foi avaliada a cinética e a análise isotópica de compostos específicos para a degradação do TCE e cis-DCE por ferro e redutores bimetálicos à base de ferro. Genericamente, os redutores bimetálicos mostraram aumentar a reatividade da degradação, sendo paládio e níquel os metais adicionais mais reativos. Os produtos principais da degradação do TCE foram eteno e etano. É apoiada a hipótese da simultaneidade de hidrogenólise e β-eliminação, porém, o primeiro passo da degradação do TCE por Au/Fe é realizada preferencialmente por β-eliminação, enquanto por ferro, Pt/Fe e Co/Fe é realizada preferencialmente por hidrogenólise. Não houve uma elucidação aparente para explicar a reatividade nos sistemas bimetálicos.

Nanostructured Systems for Electrocatalysis of Reduction Reactions for Energy Conversion Applications

Oxygen Reduction Reaction (ORR) requires a platinum-based catalyst to reduce the activation barrier. One of the most promising materials as alternative catalysts are carbon-based, graphene and carbon nanotubes (CNT) derivatives. ORR on a carbon-based substrate involves the less efficient two electrons process and the optimal four electrons process. New synthetic strategies to produce tunable graphene-based materials utilizing graphene oxide (GO) as a base inspired the first part of this work. Hydrogen Evolution Reaction (HER) is a slow process requiring also platinum or palladium as catalyst. In the second part of this work, we develop and use a technique for Ni nanoparticles electrodeposition using NiCl2 as precursor in the presence of ascorbate ligands. Electrodeposition of nano-nickel onto flat glassy carbon (GC) and onto nitrogen-doped reduced graphene oxide (rGO-N) substrates are studied. State of the art catalysts for CO2RR requires rare metals rhenium or rhodium. In recent years significant research has been done on non-noble metals and molecular systems to use as electro and photo-catalysts (artificial photosynthesis). As Cu-Zn alloys show good CO2RR performance, here we applied the same nanoparticle electrosynthesis technique using as precursors CuCl2 and Cl2Zn and observed successful formation of the nanoparticles and a notable activity in presence of CO2. Using rhenium complexes as catalysts is another popular approach and di-nuclear complexes have a positive cooperative effect. More recently a growing family of pre-catalysts based on the earth-abundant metal manganese, has emerged as a promising, cheaper alternative. Here we study the cooperative effects of di-nuclear manganese complexes derivatives when used as homogeneous electrocatalysts, as well as a rhenium functionalized polymer used as heterogeneous electrocatalyst.