(A) BODIPY as a versatile fluorophore (B) Synthesis of PNAs via Staudinger reaction

(A) In recent years, 4,4-difluoro-4-bora-3a,4a-diaza-s-indacene (BODIPY) fluorophores have attracted considerable interest due to their unique photochemical properties. However detailed studies on the stability of BODIPY and analogues under acidic and basic conditions have been lacking. Thus the stability of a series of BODIPY analogues in acidic (di- and trichloroacetic acid) and basic (aqueous ammonium hydroxide) conditions was investigated using 11B NMR spectroscopy. Among the analogues tested, 4,4-diphenyl BODIPY was the most stable under the conditions used in the experiments. It was found that reaction of 4,4-dimethoxy BODIPY with dichloroacetic acid gave mixed anhydride 4,4-bis(dichloroacetoxy) BODIPY in good yields. Treatment of the latter mixed anhydride with alcohols such as methanol and ethanol in the presence of a base afforded corresponding borate esters, whereas treatment with 1,2-diols such as ethylene glycol and catechol in the presence of a base gave corresponding cyclic borate esters. Furthermore treatment of 4,4-difluoro-8-methyl-BODIPY with secondary amines in dihalomethane resulted in carbon–carbon bond formation at the meso-methyl position of BODIPY via Mannich-type reactions. The resulting modified BODIPY fluorophores possess high fluorescent quantum yields. Five BODIPY analogues bearing potential ion-binding moieties were synthesized via this Mannich-type reaction. Among these, the BODIPY bearing an aza-18-crown-5 tether was found to be selective towards copper (II) ion, resulting in a large blue shift in absorption and sharp fluorescent quenching, whereas aza-15-crown-4 analogue was selected towards fluoride ion, leading to effective florescent quenching and blue shift. (B) Peptide nucleic acids (PNA), as mimics of natural nucleic acids, have been widely applied in molecular biology and biotechnology. Currently, the preparation of PNA oligomers is commonly achieved by a coupling reaction between carboxyl and amino groups in the presence of an activator. In this thesis attempts were made towards the synthesis of PNA through the Staudinger ligation reactions between C-terminal diphenylphosphinomethanethiol thioesters and N-terminal α-azido PNA building blocks.

SYNTHESIS OF CYCLIC AZOBENZENE ANALOGUES FOR INCORPORATION INTO OLIGONUCLEOTIDES, PEPTIDES AND POLYMERS

(A) In recent years, considerable amount of effort has contributed towards enhancing our understanding of the new photoswitch, cyclic azobenzene, particularly from the theoretical point of view. However, the challenging part with this system was poor efficiency of its synthesis from 2,2’- dinitrodibenzyl and lack of effective methods for further modification which would be useful to incorporate this system into biomolecules as a photoswitch. We report the synthesis of cyclic azobenzene and analogues from 2,2’-dinitrodibenzyl, which would allow for further incorporation of this cyclic azobenzene into biomolecules. Reaction of 2,2’-dinitrodibenzyl with zinc metal powder in the presence of triethylammonium formate buffer (pH-9.5) gave a cyclic azoxybenzene, 11,12-dihydrodibenzo[c,g][1,2]diazocine-5-oxide. The latter compound was converted into cyclic azobenzene analogues (bromo-, chloro-, cyano-, and carboxyl) through subsequent transformations. The carboxylic acid analogue was reacted with D-threoninol to give the corresponding amide, which readily undergoes photo-isomerization upon illumination with light. Upon illumination with light at 400 nm, approximately 70% of cis- isomer of amide was isomerized to trans- isomer. It was observed that cis- to trans- isomerization reached the maximum steady state of light transmission after approximately 40 min, whereas the trans- to cis- isomerization approximately acquired in 2 h to regain full recovery of light transmission. Cyclic azobenzene phosphoramidite was synthesized from DMT-protected D-threoninol linked cyclic azobenzene. (B) In recent years, there has been considerable interest invested towards the synthesis of azobenzene analogues for incorporation into proteins. Among the many azobenzene analogues, the synthesis of bi-functional cyclic azobenzene analogues for the incorporation into proteins is relatively new. In this thesis, we report the synthesis of a cyclic azobenzene biscarboxylic acid from 4-(bromomethyl)benzonitrile. (C) Azobenzene has been widely used in the field of polymer science to study the surface morphology and surface properties of polymers. In this thesis, we report the incorporation of cyclic azobenzene into a commercial polymer 2- (hydroxyethyl)methacrylate. Samples collected after 24 h from the reaction solution showed approximately 9% of incorporation of cyclic azobenzene into polymer compared to samples collected after 10 h, which showed approximately 6% incorporation.

3-O-Demethylation of thebaine and the synthesis of a flacourtia aglycone from benzoic acid.

Two synthetic projects were embarked upon, both fraught with protecting group nuance and reaction selectivity. Transformations of the opiate skeleton remain a valuable tool for the development of new medicines. Thebaine, a biosynthetic intermediate in the expression of morphine, was converted in three steps to oripavine through two parallel modes. Through the use of protecting group manipulations, two irreversible scaffold rearrangements were avoided during aryl methyl ether bond cleavage. This chemistry constitutes a new path in manipulations of the morphinan scaffold through protective groups. A new compound family, the flacourtosides, contains an unusual cyclohexenone fragment. The newly described compounds show in preliminary tests antiviral activity against dengue and chikungunya. This aglycone was approached on three pathways, all beginning with the chemoenzymatic dihydroxylation of benzoic acid. A first attempt from a known vinyl epoxide failed to epimerize and cooperate under deprotective conditions. A second and third attempt made use of a diastereoselective dihydroxylation reaction, which was critical in reaching the correct stereochemistry and oxidation state. The methyl ester of the aglycone was prepared, constituting the first synthesis of the non-trivial natural product framework.

Detection of methotrexate using surface plasmon resonance biosensors for chemotherapy monitoring

Le méthotrexate (MTX), un agent anti-cancéreux fréquemment utilisé en chimiothérapie, requiert généralement un suivi thérapeutique de la médication (Therapeutic Drug Monitoring, TDM) pour surveiller son niveau sanguin chez le patient afin de maximiser son efficacité tout en limitant ses effets secondaires. Malgré la fenêtre thérapeutique étroite entre l’efficacité et la toxicité, le MTX reste, à ce jour, un des agents anti-cancéreux les plus utilisés au monde. Les techniques analytiques existantes pour le TDM du MTX sont coûteuses, requièrent temps et efforts, sans nécessairement fournir promptement les résultats dans le délai requis. Afin d’accélérer le processus de dosage du MTX en TDM, une stratégie a été proposée basée sur un essai compétitif caractérisé principalement par le couplage plasmonique d’une surface métallique et de nanoparticules d’or. Plus précisément, l’essai quantitatif exploite la réaction de compétition entre le MTX et une nanoparticule d’or fonctionnalisée avec l’acide folique (FA-AuNP) ayant une affinité pour un récepteur moléculaire, la réductase humaine de dihydrofolate (hDHFR), une enzyme associée aux maladies prolifératives. Le MTX libre mixé avec les FA-AuNP, entre en compétition pour les sites de liaison de hDHFR immobilisés sur une surface active en SPR ou libres en solution. Par la suite, les FA-AuNP liées au hDHFR fournissent une amplification du signal qui est inversement proportionnelle à la concentration de MTX. La résonance des plasmons de surface (SPR) est généralement utilisée comme une technique spectroscopique pour l’interrogation des interactions biomoléculaires. Les instruments SPR commerciaux sont généralement retrouvés dans les grands laboratoires d’analyse. Ils sont également encombrants, coûteux et manquent de sélectivité dans les analyses en matrice complexe. De plus, ceux-ci n’ont pas encore démontré de l’adaptabilité en milieu clinique. Par ailleurs, les analyses SPR des petites molécules comme les médicaments n’ont pas été explorés de manière intensive dû au défi posé par le manque de la sensibilité de la technique pour cette classe de molécules. Les développements récents en science des matériaux et chimie de surfaces exploitant l’intégration des nanoparticules d’or pour l’amplification de la réponse SPR et la chimie de surface peptidique ont démontré le potentiel de franchir les limites posées par le manque de sensibilité et l’adsorption non-spécifique pour les analyses directes dans les milieux biologiques. Ces nouveaux concepts de la technologie SPR seront incorporés à un système SPR miniaturisé et compact pour exécuter des analyses rapides, fiables et sensibles pour le suivi du niveau du MTX dans le sérum de patients durant les traitements de chimiothérapie. L’objectif de cette thèse est d’explorer différentes stratégies pour améliorer l’analyse des médicaments dans les milieux complexes par les biocapteurs SPR et de mettre en perspective le potentiel des biocapteurs SPR comme un outil utile pour le TDM dans le laboratoire clinique ou au chevet du patient. Pour atteindre ces objectifs, un essai compétitif colorimétrique basé sur la résonance des plasmons de surface localisée (LSPR) pour le MTX fut établi avec des nanoparticules d’or marquées avec du FA. Ensuite, cet essai compétitif colorimétrique en solution fut adapté à une plateforme SPR. Pour les deux essais développés, la sensibilité, sélectivité, limite de détection, l’optimisation de la gamme dynamique et l’analyse du MTX dans les milieux complexes ont été inspectés. De plus, le prototype de la plateforme SPR miniaturisée fut validé par sa performance équivalente aux systèmes SPR existants ainsi que son utilité pour analyser les échantillons cliniques des patients sous chimiothérapie du MTX. Les concentrations de MTX obtenues par le prototype furent comparées avec des techniques standards, soit un essai immunologique basé sur la polarisation en fluorescence (FPIA) et la chromatographie liquide couplée avec de la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS) pour valider l’utilité du prototype comme un outil clinique pour les tests rapides de quantification du MTX. En dernier lieu, le déploiement du prototype à un laboratoire de biochimie dans un hôpital démontre l’énorme potentiel des biocapteurs SPR pour utilisation en milieux clinique.

Les effets de revêtements de surface sur la dissolution et la bioaccumulation de nanoparticules d'oxyde de zinc par l'algue unicellulaire, C. reinhardtii

Au cours de la dernière décennie, les nanoparticules ont connu un essor sans précédent dans plusieurs domaines. On peut retrouver ces nanoparticules dans des secteurs aussi variés tels que la médecine, l’électronique, les écrans solaires, les cosmétiques et les plastiques, pour ne nommer que ceux-là. Cette utilisation massive a eu un effet pervers sur l’environnement, sachant qu’une grande partie de ces produits se sont retrouvés inévitablement dans les milieux naturels. Plusieurs études révèlent qu’autant la présence des nanoparticules que leurs produits de dissolution sont à prendre en considération lorsque des travaux toxicologiques ou le devenir de ces matériaux sont étudiés. Il est désormais clair que les propriétés de surface de ces nanoparticules jouent un rôle central sur leur comportement dans les solutions aqueuses; que ce soit les interactions avec des organismes ou entre les particules elles-mêmes. Afin d’évaluer le devenir de nZnO, une étude sur la dissolution ainsi que la bioaccumulation a été réalisée avec l’algue modèle Chlamydomonas reinhardtii en présence de nanoparticules ayant différents enrobages. Les nanoparticules d’oxyde de zinc suivantes ont été étudiées : (i) nZnO sans enrobage (nZnO); (ii) nZnO avec enrobage d’acide polyacrylique (nZnO-PAA) et (iii) nZnO avec enrobage d’hexamétaphosphate de sodium (nZnO-HMP). La dissolution était mesurée à l’aide de trois techniques : ultrafiltration par centrifugation (CU); technique potentiométrique (scanned stripping chronopotentiometry, SSCP) et spectrométrie de masse – plasma à couplage inductif couplé à une résine échangeuse d’ions (resin-based inductively coupled plasma-mass spectrometry, resin-based ICP-MS). Les résultats obtenus démontrent une grande tendance à la dissolution pour le nZnO (presque totale) tandis que pour le nZnO-PAA et le nZnO-HMP, la dissolution est dépendante de la nature de l’enrobage le composant. Pour la bioaccumulation sur l’algue testée, les données montrent une grande dépendance au zinc libre issu de la dissolution pour nZnO et nZnO-PAA. À l’inverse, le nZnO-HMP démontre une bioaccumulation plus élevée par comparaison aux mêmes concentrations d’expositions du zinc libre, expliquée par la stimulation de l’internalisation du zinc provoqué par la présence de phosphate constituant l’enrobage de nZnO-HMP.

Synthesis of polyelectrolyte brushes on silica-based substrates through surface-initiated polymerization : brush characterization and responsiveness to variation in pH and ionic strength

Les brosses de polyélectrolytes font l’objet d’une attention particulière pour de nombreuses applications car elles présentent la capacité de changer de conformation et, par conséquent, de propriétés de surface en réponse aux conditions environnementales appliquées. Le contrôle des principaux paramètres de ces brosses telles que l'épaisseur, la composition et l'architecture macromoléculaire, est essentiel pour obtenir des polymères greffés bien définis. Ceci est possible avec la Polymérisation Radicalaire par Transfert d’Atomes - Initiée à partir de la Surface (PRTA-IS), qui permet la synthèse de brosses polymériques de manière contrôlée à partir d’une couche d'amorceurs immobilisés de manière covalente sur une surface. Le premier exemple d’une synthèse directe de brosses de poly(acide acrylique) (PAA) par polymérisation radicalaire dans l’eau a été démontré. Par greffage d’un marqueur fluorescent aux brosses de PAA et via l’utilisation de la microscopie de fluorescence par réflexion totale interne, le dégreffage du PAA en temps réel a pu être investigué. Des conditions environnementales de pH ≥ 9,5 en présence de sel, se sont avérées critiques pour la stabilité de la liaison substrat-amorceur, conduisant au dégreffage du polymère. Afin de protéger de l’hydrolyse cette liaison substrat-amorceur sensible et prévenir le dégreffage non souhaité du polymère, un espaceur hydrophobique de polystyrène (PS) a été inséré entre l'amorceur et le bloc de PAA stimuli-répondant. Les brosses de PS-PAA obtenues étaient stables pour des conditions extrêmes de pH et de force ionique. La réponse de ces brosses de copolymère bloc a été étudiée in situ par ellipsométrie, et le changement réversible de conformation collapsée à étirée, induit par les variations de pH a été démontré. De plus, des différences de conformation provenant des interactions du bloc de PAA avec des ions métalliques de valence variable ont été obtenues. Le copolymère bloc étudié semble donc prometteur pour la conception de matériaux répondant rapidement a divers stimuli. Par la suite, il a été démontré qu’un acide phosphonique pouvait être employé en tant qu’ amorceur PRTA-IS comme alternative aux organosilanes. Cet amorceur phosphonate a été greffé pour la première fois avec succès sur des substrats de silice et une PRTA-IS en milieux aqueux a permis la synthèse de brosses de PAA et de poly(sulfopropyl méthacrylate). La résistance accrue à l’hydrolyse de la liaison Sisubstrat-O- Pamorceur a été confirmée pour une large gamme de pH 7,5 à 10,5 et a permis l’étude des propriétés de friction des brosses de PAA sous différentes conditions expérimentales par mesure de forces de surface. Malgré la stabilité des brosses de PAA à haute charge appliquée, les études des propriétés de friction ne révèlent pas de changement significatif du coefficient de friction en fonction du pH et de la force ionique.

Greffage irréversible de polyélectrolytes sur des substrats de silice et de mica et étude des propriétés de surface et de gonflement

Le protocole pour le greffage irréversible du copolymère amphiphile polystyrène-b-poly (acrylate de sodium) PS-b-PANa, sur un substrat de mica et de silice hydrophobe a été développé, en utilisant la méthode de greffage à partir de solution. Les propriétés de surface du bloc chargé ont été évaluées. L’effet de la force ionique sur le gonflement des chaînes a été investigué par ellipsométrie. Les forces d’interaction entre les surfaces recouvertes du copolymère ont été évaluées par la technique SFA. Les profils de force ont démontré être stables et nettement répulsifs en compression et décompression, montrant l’irréversibilité du greffage. Les forces de frottement entre les brosses de PANa sont élevées, mais aucune évidence d’endommagement de la surface n’a été observée. La comparaison entre le comportement à la surface des chaînes de l’acide polyacrylique PAA et celles du PANa, obtenues par deux méthodes de greffage différentes, est également investiguée.

Surface electron properties and catalytic activity of cerium-zirconium mixed oxides

The electron donating properties, surface acidity/ basicity and catalytic activity of cerium - zirconium mixed oxides at various compositions have been reported at an activation temperature of 500 degree C. The catalytic activity for the esterification of acetic acid with n-butanol has heen correlated with electron donating properties and surface acidity/basicity of the oxides.

Acidity/basicity, electron donor properties and catalytic activity of sulphate modified stannic oxide

The surface electron donor properties of sulphate modified stannic oxide have been determined from the adsorption of electron acceptors of various electron affinities on the oxide surface. The acid base properties of stannic oxide have been determined by titration method using Hammett indicators. Catalytic activities of the oxide for esterification of acetic acid using n-butanol.reduction of cyclohexanone in 2-propanol and oxidation of cyclohexanol with benzophenone have been studied. The data have been correlated with the surface electron donor properties of these oxides. The activity for reduction and oxidation decreases and that for esterification reaction increases on modification with sulphate ion. It has heen found that electron donating capacity decreased when stannic oxide was modified with sulphate ion.

Acidity / basicity and electron donor properties and catalytic activity of sulphated titania

The surface acidity/ basicity of TiO2 (rutile) and its sulphate modified form have been determined by titration method using Hammett indicators after activation at different temperatures. The electron donating properties of these oxides are also studied from the adsorption of electron acceptors of different electron affinity values. The data have been correlated with the catalytic activity of these oxides towards esterification of acetic acid using n-butanol, reduction of cyclohexanone in isopropanol and oxidation of cyclohexanol in benzophenone. Catalytic activity for esterification and oxidation reaction parallels the acidity while that for reduction reaction parallels the basicity of these oxides.

Effect of vanadia on physico-chemical and catalytic characteristics of dysprosia

Physico-chemical characterization of DY203/V2O5 systems prepared through wet impregnation method has been carried out using various techniques like EDX, XRD, FTIR. thermal studies, BET surface area, pore volume and pore size distribution analysis. The amount of vanadia incorporated has been found to influence the surface properties of dysprosia. The spectroscopic results combining with X-ray analysis reveal that vanadia species exist predominantly as isolated amorphous vanadyl units along with crystalline dysprosium orthovanadate. Basicity studies have been conducted by adsorption of electron acceptors and acidity and acid strength distribution by temperature programmed desorption of ammonia. Cyclohexanol decomposition has been employed as a chemical probe reaction to examine the effect of vanadia on the acid base property of Dy2O3. Incorporation of vanadia titrates thc Lewis acid and base sites of Dy2O3, while an enhancement of Bronsted acid sites has been noticed. Data have been correlated with the catalytic activity of these oxides towards the vapour phase methylation of phenol

Surface properties and catalytic activity of vanadia supported on rare earth oxides

An investigation on the physical and chemical characterisation of rare earth oxide supported vanadia is attempted in the present study. La2O3, Sm2O3 and DY2O3 serve the purpose of supports. Supported catalysts were prepared and characterised using various physico chemical techniques. A detailed investigation of acid base properties is also carried out. The nature of interaction of vanadia with lanthanide oxide is discussed and the effect of vanadia loading on the activity of the systems towards reactions of industrial importance is explored.

Oxidative dehydrogenation of ethylbenzene over La and Dy supported vanadia

A series of supported vanadia systems have been prepared by excess solvent technique using La203 and DY203 as supports. Physical characterization has been carried out using XRD, FTIR, TG studies, BET surface area measurement, pore volume analysis etc. Cyclohexanol decomposition has been used as a test reaction for evaluating the acid base properties of the supported system. The oxidative dehydrogenation of ethylbenzene has been employed as a chemical probe reaction to examine the catalytic activity. The active species correspond to amorphous and crystalline tetrahedral vanadyl units in the supported system.

Surface acidity and catalytic activity of mixed Fe-Al and Cr-Al pillared montmorillonites

The incorporation of transition metal oxide pillars such as those of iron and chromium along with Al2O3, pillars within the interlayers of a montmorillonite clay is investigated. The surface acidity of these catalysts has been evaluated for the first time employing the equilibrium adsorption of an electron donor, perylene, and the results are compared with those obtained by temperature programmed desorption of ammonia. The principle is based on the ability of a catalyst surface site to accept a single electron from an electron donor like perylene to form charge transfer complexes and the amount of adsorbed species is measured quantitatively by UV-vis spectroscopy. Fina1ly, an attempt has been made to correlate the acidity determined by the two independcnt methods and the catalytic activity of present systems in the benzoylation of toluene with benzoyl chloride. Incorporation of Fe and Cr has changed the properties of AI pitlared montmorillonite. Fe pillared systems have been found to be vcry good catalysts for benzoylation reaction

Liquid phase benzylation of o-xylene over pillared clays

Iron, aluminium and mixed iron aluminium pillared clays have been prepared by partial hydrolysis method and doped with IO% Mo, V and Cr. The samples have been characterised by XRD, FTIR and surface area and pore Volume measurements. The surface acid site distribution has been determined by temperature programmed desorption of ammonia. Vanadia incorporated systems show maximum acidity. Benzylation of o-xylene has been done as probe reaction to test catalytic activity. Benzyl chloride is a superior benzylating agent compared to benzyl alcohol in activity and selectivity. Cent percent selectivity towards monobenzylated product is obtained in all the cases. Fe pillared systems exhibit maximum activity. The catalytic activities of the systems can be correlated with the amount of strong add sites. The effects of various reaction variables on the reaction have been studied. Presence of moisture has a diminishing effect on the reaction rate.