Phospha-adamantanes as ligands for palladium-catalyzed cross-coupling reactions

New and robust methodologies have been designed for palladium-catalyzed crosscoupling reactions involving·a novel·class oftertiary phosphine ligand incorporating a phospha-adamantane framework. It has been realized that bulky, electron-rich phosphines, when used as ligands for palladium, allow for cross-coupling reactions involving even the less reactive aryl halide substrates with a variety of coupling partners. In an effort to design new ligands suitable for carrying out cross-coupling transformations, the secondary phosphine, 1,3,5,7-tetramethyl-2,4,8-trioxa-6phosphaadamantane was converted into a number of tertiary phosphine derivatives. The ability of these tertiary phosphaadamantanes to act as effective ligands in the palladiumcatalyzed Suzuki cross-coupling was examined. 1,3,5,7-Tetramethyl-6-phenyl-2,4,8trioxa- 6-phosphaadamantane (PA-Ph) used in combination with Pdz(dba)3permitted the reaction of an array of aryl iodides, bromides and chlorides with a variety arylboronic acids to give biaryls in good to excellent yields. Subsequently, palladium complexes of PA-Ph were prepared and isolated in high yields as air stable palladium bisphosphine complexes. Two different kinds of crystals were isolated and upon characterization revealed two complexes, Pd(PA-Ph)z.dba and Pd(PA-Ph)zOz. Preliminary screening for their catalytic activity indicated that the former is more reactive than the latter. Pd(PAPh) z.dba was applied as the catalyst for Sonogashira cross-coupling reactions of aryl iodides and bromides and in the reactions of aryl bromides and chlorides with ketones to give a-arylated ketones at mild temperatures in high yields.

Phospha-adamantane ligands and phosphorous ionic liquids for palladium-catalyzed cross-coupling reactions /

New and robust methodologies have been designed for palladiumcatalyzed cross-coupling reactions involving a library of novel tertiary phosphine ligands incorporating a phospha-adamantane framework. The secondary phosphine, l,3,5,7-tetramethyl-2,4,8-trioxa-6-phospha-adamantane was converted into a small library of tertiary phosphine derivatives and the ability of these tertiary phosphaadamantanes to act as effective ligands in the palladium-catalyzed amination reaction and p-alkyl-Suzuki cross-coupling was examined. l,3,5,7-Tetramethyl-6- phenyl-2,4,8-trioxa-6-phosphaadamantane (PA-Ph) used in combination with Pd2(dba)3 CHCI3 facilitated the reaction of an array of aryl iodides, bromides and chlorides with a variety secondary and primary amines to give tertiary and secondary amines respectively in good to excellent yields. 8-(2,4-Dimethoxyphenyl)- l,3,5,7-tetramethyl-2,4,6-trioxa-8-phospha-tricyclo[3.3.1.1*3,7*]decane used in combination with Pd(0Ac)2 permitted the reaction of an array of alkyl iodides, and bromides with a variety aryl boronic acids and alkyl 9-BBN compounds in good to excellent yields. Subsequent to this work, the use of phosphorous based ionic liquids, specifically tetradecyltrihexylphosphonium chloride (THPC), in the Heck reaction provided good to excellent yields in the coupling of aryl iodides and bromides with a variety of olefins.

Kinetic and product studies for the oxidtion of organic sulfides and sulfoxides in the presence of transition metal complexes

Rates and products of the oxidation of diphenyl sulfide, phenyl methyl sulfide, p-chlorophenyl methyl sulfide and diphenyl sulfoxide have been determined. Oxidants included t-Bu02H alone, t-Bu02H plus molybdenum or vanadium catalysts and the molybdenum peroxo complex Mo0(02)2*HMPT. Reactions were chiefly carried out in ethanol at temperatures ranging from 20° to 65°C. Oxidation of diphenyl sulfide by t-Bu02H in absolute ethanol at 65°C followed second-order kinetics with k2 = 5.61 x 10 G M~1s"1, and yielded only diphenyl sulfoxide. The Mo(C0)g-catalyzed reaction gave both the sulfoxide and the sulfone with consecutive third-order kinetics. Rate = k3[Mo][t-Bu02H][Ph2S] + k^[Mo][t-Bu02H][Ph2S0], where log k3 = 12.62 - 18500/RT, and log k^ = 10.73 - 17400/RT. In the absence of diphenyl sulfide, diphenyl sulfoxide did not react with t-Bu02H plus molybdenum catalysts, but was oxidized by t-Bu02H-V0(acac)2. The uncatalyzed oxidation of phenyl methyl sulfide by t-Bu02H in absolute ethanol at 65°C gave a second-order rate constant, k = 3.48 x 10~"5 M^s""1. With added Mo(C0)g, the product was mainly phenyl methyl sulfoxide; Rate = k3[Mo][t-Bu02H][PhSCH3] where log k3 = 22.0 - 44500/RT. Both diphenyl sulfide and diphenyl sulfoxide react readily with the molybdenum peroxy complex, Mo0(02)2'HMPT in absolute ethanol at 35°C, yielding diphenyl sulfone. The observed features are mainly in agreement with the literature on metal ion-catalyzed oxidations of organic compounds by hydroperoxides. These indicate the formation of an active catalyst and the complexation of t-Bu02H with the catalyst. However, the relatively large difference between the activation energies for diphenyl sulfide and phenyl methyl sulfide, and the non-reactivity of diphenyl sulfoxide suggest the involvement of sulfide in the production of an active species.

Spin labile conducting metallopolymers : a new architecture for hybrid multifunctional materials

The synthesis of 3-ethynylthienyl- (2.07), 3-ethynylterthienyl- (2.19) substituted qsal [qsalH = N-(8-quinolyl)salicylaldimine] and 3,3' -diethynyl-2,2' -bithienyl bridging bisqsal (5.06) ligands are described along with the preparation and characterization of eight cationic iron(III) complexes containing these ligands with a selection of counteranions [(2.07) with: SCN- (2.08), PF6- (2.09), and CI04- (2.10); (2.19) with PF6 - (2.20); (5.06) with: cr (5.07), SeN- (5.08), PF6- (5.09), and CI04- (5.10)]. Spin-crossover is observed in the solid state for (2.08) - (2.10) and (5.07) - (5.10), including a ve ry rare S = 5/2 to 3/2 spin-crossover in complex (2.09). The unusal reduction of complex (2.10) produces a high-spin iron(I1) complex (2.12). Six iron(II) complexes that are derived from thienyl analogues of bispicen [bispicen = bis(2-pyridylmethyl)-diamine] [2,5-thienyl substituents = H- (3.11), Phenyl- (3.12), 2- thienyl (3.13) or N-phenyl-2-pyridinalimine ligands [2,5-phenyl substituents = diphenyl (3.23), di(2-thienyl) (3.24), 4-phenyl substituent = 3-thienyl (3.25)] are reported Complexes (3.11), (3.23) and (3.25) display thermal spin-crossover in the solid state and (3.12) remains high-spin at all temperatures. Complex (3.13) rearranges to form an iron(II) complex (3.14) with temperature dependent magnetic properties be s t described as a one-dimensional ferromagnetic chain, with interchain antiferromagnetic interactions and/or ZFS dominant at low temperatures. Magnetic succeptibility and Mossbauer data for complex (3.24) display a temperature dependent mixture of spin isomers. The preparation and characterization of two cobalt(II) complexes containing 3- ethynylthienyl- (4.04) and 3-ethynylterhienyl- (4.06) substituted bipyridine ligands [(4.05): [Co(dbsqh(4.04)]; (4.07): [Co(dbsq)2(4.06)]] [dbsq = 3,5-dbsq=3,5-di-tert-butylI ,2-semiquinonate] are reported. Complexes (4.05) and (4.07) exhibit thermal valence tautomerism in the solid state and in solution. Self assembly of complex (2.10) into polymeric spheres (6.11) afforded the first spincrossover, polydisperse, micro- to nanoscale material of its kind. . Complexes (2.20), (3.24) and (4.07) also form polymers through electrochemical synthesis to produce hybrid metaUopolymer films (6.12), (6.15) and (6.16), respectively. The films have been characterized by EDX, FT-IR and UV-Vis spectroscopy. Variable-temperature magnetic susceptibility measurements demonstrate that spin lability is operative in the polymers and conductivity measurements confirm the electron transport properties. Polymer (6.15) has a persistent oxidized state that shows a significant decrease in electrical resistance.

Asymmetric hydrogenation of alkenes with cationic iridium(I) complexes of 2-phosphino-1-aminoferrocene ligands

Iridium complexes with bidentate P,N ligands represent a class of catalysts that significantly expand the application range of asymmetric hydrogenation. New substrate classes, for which there have previously been no suitable catalysts, can now be efficiently hydrogenated in high conversion and enantioselectivity. These substrates are often of synthetic importance, thus iridium catalysis represents a significant advance in the field of asymmetric catalysis. Planar chiral ferrocenyl aminophosphine ligands in which both heteroatoms were directly bound to the cyclopentadienyl ring were prepared by BF3-activated lithiationsubstitution in the presence of a chiral diamine in 49-59% yield and 75-85% enantiomeric excess. Some of these ligands were recrystallized to enantiomeric purity via ammonium fluoroborate salt formation of the phosphine sulfide. A crystal structure of one of these compounds was obtained and features an intramolecular hydrogen bond between the nitrogen, hydrogen, and sulfur atoms. Neutralization, followed by desulfurization, provided the free ligands in enantiomeric purity. Iridium complexes with these ligands were formed via reaction with [Ir(COD)Clh followed by anion exchange with NaBArF. These complexes were successfully applied in homogeneous hydrogenation of several prochiral substrates, providing products in up to 92% enantiomeric excess. Variation of the dimethyl amino group to a pyrrolidine group had a negative effect on the selectivity of hydrogenation. Variation of the substituents on phosphorus to bulkier ortho-tolyl groups had a positive effect, while variation to the more electron rich dicyclohexyl phosphine had a negative effect on selectivity.

Experimental and Computational Studies on Copper and Hydrobenzoin Derivatives in Catalytic Asymmetric Reactions

The use of theory to understand and facilitate catalytic enantioselective organic transformations involving copper and hydrobenzoin derivatives is reported. Section A details the use of theory to predict, facilitate, and understand a copper promoted amino oxygenation reaction reported by Chemler et al. Using Density Functional Theory (DFT), employing the hybrid B3LYP functional and a LanL2DZ/6-31G(d) basis set, the mechanistic details were studied on a N-tosyl-o-allylaniline and a [alpha]-methyl-[gamma]-alkenyl sulfonamide substrate. The results suggest the N-C bond formation proceeds via a cisaminocupration, and not through a radical-type mechanism. Additionally, the origin of diastereoselection observed with [alpha]-methyl-[gamma]-alkenyl sulfonamide arises from avoidance of unfavourable steric interactions between the methyl substituent and the N -protecting group. Section B details the computationally guided, experimental investigation of two hydrobenzoin derivatives as ligands/ catalysts, as well as the attempted synthesis of a third hydrobenzoin derivative. The bis-boronic acid derived from hydrobenzoin was successful as a Lewis acid catalyst in the Bignielli reaction and the Conia ene reaction, but provided only racemic products. The chiral diol derived from hydrobenzoin successfully increased the rate of the addition of diethyl zinc to benzaldehyde in the presence of titanium tetraisopropoxide, however poor enantioinduction was obseverved. Notably, the observed reactivity was successfully predicted by theoretical calculations.

A DFT Guided/Experimental Approach to Asymmetric Allylation and Phase-Transfer Catalysis

The Dudding group is interested in the application of Density Functional Theory (DFT) in developing asymmetric methodologies, and thus the focus of this dissertation will be on the integration of these approaches. Several interrelated subsets of computer aided design and implementation in catalysis have been addressed during the course of these studies. The first of the aims rested upon the advancement of methodologies for the synthesis of biological active C(1)-chiral 3-methylene-indan-1-ols, which in practice lead to the use of a sequential asymmetric Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation/Mizoroki Heck reaction sequence. An important aspect of this work was the utilization of ortho-substituted arylaldehyde reagents which are known to be a problematic class of substrates for existing asymmetric allylation approaches. The second phase of my research program lead to the further development of asymmetric allylation methods using o-arylaldehyde substrates for synthesis of chiral C(3)-substituted phthalides. Apart from the de novo design of these chemistries in silico, which notably utilized water-tolerant, inexpensive, and relatively environmental benign indium metal, this work represented the first computational study of a stereoselective indium-mediated process. Following from these discoveries was the advent of a related, yet catalytic, Ag(I)-catalyzed approach for preparing C(3)-substituted phthalides that from a practical standpoint was complementary in many ways. Not only did this new methodology build upon my earlier work with the integrated (experimental/computational) use of the Ag(I)-catalyzed asymmetric methods in synthesis, it provided fundamental insight arrived at through DFT calculations, regarding the Yamamoto-Sakurai-Hosomi allylation. The development of ligands for unprecedented asymmetric Lewis base catalysis, especially asymmetric allylations using silver and indium metals, followed as a natural extension from these earlier discoveries. To this end, forthcoming as well was the advancement of a family of disubstituted (N-cyclopropenium guanidine/N-imidazoliumyl substituted cyclopropenylimine) nitrogen adducts that has provided fundamental insight into chemical bonding and offered an unprecedented class of phase transfer catalysts (PTC) having far-reaching potential. Salient features of these disubstituted nitrogen species is unprecedented finding of a cyclopropenium based C-H•••πaryl interaction, as well, the presence of a highly dissociated anion projected them to serve as a catalyst promoting fluorination reactions. Attracted by the timely development of these disubstituted nitrogen adducts my last studies as a PhD scholar has addressed the utility of one of the synthesized disubstituted nitrogen adducts as a valuable catalyst for benzylation of the Schiff base N-diphenyl methylene glycine ethyl ester. Additionally, the catalyst was applied for benzylic fluorination, emerging from this exploration was successful fluorination of benzyl bromide and its derivatives in high yields. A notable feature of this protocol is column-free purification of the product and recovery of the catalyst to use in a further reaction sequence.

A Bicyclic L-Proline Derived Chiral Auxiliary for Asymmetric Synthesis

This thesis describes the use of an L−proline-derived chiral auxiliary for diastereoselective lithiation and ligand synthesis. Such compounds have been utilized in the Metallinos research group previously for the synthesis of N−substituted planar chiral ferrocenes. The first project describes the use of this chiral auxiliary as a directing group for N−benzyl substitution, providing products in up to 10:1 diastereomeric ratio (dr). These derivatives may serve as chiral ylidene precursors to serve as ligands in transition metal catalysis. In addition, an N−substituted planar chiral ferrocene ylidene ligand derived from the same chiral auxiliary was used to prepare rhodium complexes that were explored as potential catalysts for asymmetric hydroformylation.

Étude de réactivité et de sélectivité de nouveaux catalyseurs à base de ruthénium

Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes.

Synthèse de motifs biarylés : fonctionnalisation directe catalysée par des métaux de transition d’espèces aromatiques non activées

Dans ce mémoire sont décrites deux méthodologies impliquant la synthèse de biaryles via l’arylation directe d’espèces aromatiques non activées, catalysée par différents éléments de transition. La première partie présente les résultats obtenus dans le cadre du développement d’une méthode simple d’arylation directe du benzène catalysée au palladium. Cette méthodologie a l’avantage de procéder sans l’ajout de ligand phosphine généralement utilisé dans les systèmes catalytiques avec le palladium et par conséquent cette réaction peut évoluer à l’air libre sans nul besoin d’une atmosphère inerte. Il est proposé que le mécanisme de formation de ces motifs biarylés pourrait passer par la mise en place d’un palladium d’espèce cationique. Ces composés pourraient éventuellement s’avérer intéressants dans la synthèse de produits pharmaceutiques comportant un motif biphényle de ce type. La deuxième partie est consacrée à une méthodologie très attrayante utilisée pour la synthèse des biphényles impliquant le fer comme catalyseur. Plusieurs catalyseurs à base de rhodium, palladium et ruthénium ont démontré leur grande efficacité dans les processus de couplage direct (insertion C-H). Cette méthodologie consiste en la première méthode efficace d’utilisation d’un catalyseur de fer dans les couplages directs sp2-sp2 avec les iodures d’aryles et iodures d’hétéroaryles. Les avantages du fer, impliquent sans contredit, des coûts moindres et des impacts environnementaux bénins. Les conditions réactionnelles sont douces, la réaction peut tolérer la présence de plusieurs groupements fonctionnels et cette dernière peut même se produire à température ambiante. La transformation s’effectue généralement avec de très bons rendements et des études mécanistiques ont démontré que le processus réactionnel était radicalaire.

Polymérisation du lactide par des catalyseurs β-diketiminate de zinc et de magnésium

Les images de molécules ont été dessinées avec le logiciel Chemdraw version 11.0

Synthèse énantiosélective du [7]hélicène à l’aide de la réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfine asymétrique et synthèse de binaphtols via une réaction de couplage oxydatif

L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique.

POCN-type Pincer Complexes of NiII and NiIII : synthesis, reactivities, catalytic activities and physical properties

Cette thèse décrit la synthèse, la caractérisation, les réactivités, et les propriétés physiques de complexes divalents et trivalents de Ni formés à partir de nouveaux ligands «pincer» de type POCN. Les ligands POCN de type amine sont préparés d’une façon simple et efficace via l’amination réductrice de 3-hydroxybenzaldéhyde avec NaBH4 et plusieurs amines, suivie par la phosphination de l’amino alcool résultant pour installer la fonction phosphinite (OPR2); le ligand POCN de type imine 1,3-(i-Pr)2PC6H4C(H)=N(CH2Ph) est préparé de façon similaire en faisant usage de PhCH2NH2 en l’absence de NaBH4. La réaction de ces ligands «pincer» de type POCN avec NiBr2(CH3CN)x en présence d’une base résulte en un bon rendement de la cyclométalation du lien C-H situé en ortho aux fonctions amine et phosphinite. Il fut découvert que la base est essentielle pour la propreté et le haut rendement de la formation des complexes «pincer» désirés. Nous avons préparé des complexes «pincer» plan- carrés de type POCN, (POCNRR΄)NiBr, possédant des fonctions amines secondaires et tertiaires qui démontrent des réactivités différentes selon les substituants R et R΄. Par exemple, les complexes possédant des fonctions amines tertiaires ArCH2NR2 (NR2= NMe2, NEt2, and morpholinyl) démontrent des propriétés rédox intéressantes et pourraient être convertis en leurs analogues trivalents (POCNR2)NiBr2 lorsque réagis avec Br2 ou N-bromosuccinimide (NBS). Les complexes trivalents paramagnétiques à 17 électrons adoptent une géométrie de type plan-carré déformée, les atomes de Br occupant les positions axiale et équatoriale. Les analyses «DSC» et «TGA» des ces composés ont démontré qu’ils sont thermiquement stables jusqu’à ~170 °C; tandis que la spectroscopie d’absorption en solution a démontré qu’ils se décomposent thermiquement à beaucoup plus basse température pour regénérer les complexes divalents ne possédant qu’un seul Br; l’encombrement stérique des substitutants amines accélère cette route de décomposition de façon significative. Les analogues NMe2 et N(morpholinyl) de ces espèces de NiIII sont actifs pour catalyser la réaction d’addition de Kharasch, de CX4 à des oléfines telles que le styrène, tandis qu’il fut découvert que l’analogue le moins thermiquement stable (POCNEt2)Ni est complètement inerte pour catalyser cette réaction. Les complexes (POCNRH)NiBr possédant des fonctions amines secondaires permettent l’accès à des fonctions amines substituées de façon non symétrique via leur réaction avec des halogénures d’alkyle. Un autre avantage important de ces complexes réside dans la possibilité de déprotonation pour préparer des complexes POCN de type amide. De telles tentatives pour déprotoner les fonctions NRH nous ont permis de préparer des espèces dimériques possédant des ligands amides pontants. La nature dimérique des ces complexes [P,C,N,N-(2,6-(i-Pr)2PC6H3CH2NR)Ni]2 (R= PhCH2 et Ph) fut établie par des études de diffraction des rayons-X qui ont démontré différentes géométries pour les cœurs Ni2N2 selon le substituant N : l’analogue (PhCH2)N possède une orientation syn des substitutants benzyles et un arrangement ressemblant à celui du cyclobutane du Ni et des atomes d’azote, tandis que l’analogue PhN adopte un arrangement de type diamant quasi-planaire des atomes du Ni et des atomes d’azote et une orientation anti des substituants phényles. Les espèces dimériques ne se dissocient pas en présence d’alcools, mais elles promouvoient l’alcoolyse catalytique de l’acrylonitrile. De façon intéressante, les rendements de ces réactions sont plus élevés avec les alcools possédant des fonctions O-H plus acides, avec un nombre de «turnover» catalytique pouvant atteindre 2000 dans le cas de m-cresol. Nous croyons que ces réactions d’alcoolyse procèdent par activation hétérolytique de l’alcool par l’espèce dimérique via des liaisons hydrogènes avec une ou deux des fonctions amides du dimère. Les espèces dimériques de Ni (II) s’oxydent facilement électrochimiquement et par reaction avec NBS ou Br2. De façon surprenante, l’oxydation chimique mène à l’isolation de nouveaux produits monomériques dans lesquels le centre métallique et le ligand sont oxydés. Le mécanisme d’oxydation fut aussi investigué par RMN, «UV-vis-NIR», «DFT» et spectroélectrochimie.

Poly(ethylene-co-acrylic acid) random copolymers : amphiphilic properties and self-assembly in aqueous medium

Les travaux de recherche présentés ici avaient pour objectif principal la synthèse de copolymères statistiques à base d’éthylène et d’acide acrylique (AA). Pour cela, la déprotection des groupements esters d’un copolymère statistique précurseur, le poly(éthylène-co-(tert-butyl)acrylate), a été effectuée par hydrolyse à l’aide d’iodure de triméthylsilyle. La synthèse de ce précurseur est réalisée par polymérisation catalytique en présence d’un système à base de Palladium (Pd). Le deuxième objectif a été d’étudier et de caractériser des polymères synthétisés à l’état solide et en suspension colloïdale. Plusieurs copolymères précurseurs comprenant différents pourcentages molaires en tert-butyl acrylate (4 à 12% molaires) ont été synthétisés avec succès, puis déprotégés par hydrolyse pour obtenir des poly(éthylène-coacide acrylique) (pE-co-AA) avec différentes compositions. Seuls les copolymères comprenant 10% molaire ou plus de AA sont solubles dans le Tétrahydrofurane (THF) et uniquement dans ce solvant. De telles solutions peuvent être dialysées dans l’eau, ce qui conduit à un échange lent entre cette dernière et le THF, et l’autoassemblage du copolymère dans l’eau peut ensuite être étudié. C’est ainsi qu’ont pu être observées des nanoparticules stables dans le temps dont le comportement est sensible au pH et à la température. Les polymères synthétisés ont été caractérisés par Résonance Magnétique Nucléaire (RMN) ainsi que par spectroscopie Infra-Rouge (IR), avant et après déprotection. Les pourcentages molaires d’AA ont été déterminés par combinaison des résultats de RMN et ii de titrages conductimètriques. A l’état solide, les échantillons ont été analysés par Calorimétrie différentielle à balayage (DSC) et par Diffraction des rayons X. Les solutions colloïdales des polymères pE-co-AA ont été caractérisées par Diffusion dynamique de la lumière et par la DSC-haute sensibilité. De la microscopie électronique à transmission (TEM) a permis de visualiser la forme et la taille des nanoparticules.

Développement de papier bioactif par couchage à grande échelle d’enzymes immobilisées par microencapsulation

L’objectif principal de cette recherche est de contribuer au développement de biocapteurs commerciaux utilisant des surfaces de papier comme matrices d’immobilisation, capables de produire un signal colorimétrique perceptible dans les limites sensorielles humaines. Ce type de biocapteur, appelé papier bioactif, pourrait servir par exemple à la détection de substances toxiques ou d’organismes pathogènes. Pour atteindre l’objectif énoncé, ce travail propose l’utilisation de systèmes enzymatiques microencapsulés couchés sur papier. Les enzymes sont des catalyseurs biologiques dotés d’une haute sélectivité, et capables d'accélérer la vitesse de certaines réactions chimiques spécifiques jusqu’à des millions des fois. Les enzymes sont toutefois des substances très sensibles qui perdent facilement leur fonctionnalité, raison pour laquelle il faut les protéger des conditions qui peuvent les endommager. La microencapsulation est une technique qui permet de protéger les enzymes sans les isoler totalement de leur environnement. Elle consiste à emprisonner les enzymes dans une sphère poreuse de taille micrométrique, faite de polymère, qui empêche l’enzyme de s’echapper, mais qui permet la diffusion de substrats à l'intérieur. La microencapsulation utilisée est réalisée à partir d’une émulsion contenant un polymère dissous dans une phase aqueuse avec l’enzyme désirée. Un agent réticulant est ensuite ajouté pour provoquer la formation d'un réseau polymérique à la paroi des gouttelettes d'eau dans l'émulsion. Le polymère ainsi réticulé se solidifie en enfermant l’enzyme à l'intérieur de la capsule. Par la suite, les capsules enzymatiques sont utilisées pour donner au papier les propriétés de biocapteur. Afin d'immobiliser les capsules et l'enzyme sur le papier, une méthode courante dans l’industrie du papier connu sous le nom de couchage à lame est utilisée. Pour ce faire, les microcapsules sont mélangées avec une sauce de couchage qui sera appliquée sur des feuilles de papier. Les paramètres de viscosité i de la sauce et ceux du couchage ont été optimisés afin d'obtenir un couchage uniforme répondant aux normes de l'industrie. Les papiers bioactifs obtenus seront d'abord étudiés pour évaluer si les enzymes sont toujours actives après les traitements appliqués; en effet, tel que mentionné ci-dessus, les enzymes sont des substances très sensibles. Une enzyme très étudiée et qui permet une évaluation facile de son activité, connue sous le nom de laccase, a été utilisée. L'activité enzymatique de la laccase a été évaluée à l’aide des techniques analytiques existantes ou en proposant de nouvelles techniques d’analyse développées dans le laboratoire du groupe Rochefort. Les résultats obtenus démontrent la possibilité d’inclure des systèmes enzymatiques microencapsulés sur papier par couchage à lame, et ce, en utilisant des paramètres à grande échelle, c’est à dire des surfaces de papier de 0.75 x 3 m2 modifiées à des vitesses qui vont jusqu’à 800 m/min. Les biocapteurs ont retenu leur activité malgré un séchage par évaporation de l’eau à l’aide d’une lampe IR de 36 kW. La microencapsulation s’avère une technique efficace pour accroître la stabilité d’entreposage du biocapteur et sa résistance à l’exposition au NaN3, qui est un inhibiteur connu de ce biocapteur. Ce projet de recherche fait partie d'un effort national visant à développer et à mettre sur le marché des papiers bioactifs; il est soutenu par Sentinel, un réseau de recherche du CRSNG.