Probing charge screening dynamics and electrochemical processes at the solid–liquid interface with electrochemical force microscopy

The presence of mobile ions complicates the implementation of voltage-modulated scanning probe microscopy techniques such as Kelvin probe force microscopy (KPFM). Overcoming this technical hurdle, however, provides a unique opportunity to probe ion dynamics and electrochemical processes in liquid environments and the possibility to unravel the underlying mechanisms behind important processes at the solid–liquid interface, including adsorption, electron transfer and electrocatalysis. Here we describe the development and implementation of electrochemical force microscopy (EcFM) to probe local bias- and time-resolved ion dynamics and electrochemical processes at the solid–liquid interface. Using EcFM, we demonstrate contact potential difference measurements, consistent with the principles of open-loop KPFM operation. We also demonstrate that EcFM can be used to investigate charge screening mechanisms and electrochemical reactions in the probe–sample junction. We further establish EcFM as a force-based imaging mode, allowing visualization of the spatial variability of sample-dependent local electrochemical properties.

Polymorphism in Sulfadimidine/4-Aminosalicylic Acid Cocrystals: Solid-State Characterization and Physicochemical Properties

Polymorphism of crystalline drugs is a common phenomenon. However, the number of reported polymorphic cocrystals is very limited. In this work, the synthesis and solid-state characterization of a polymorphic cocrystal composed of sulfadimidine (SD) and 4-aminosalicylic acid (4-ASA) is reported for the first time. By liquid-assisted milling, the SD:4-ASA 1:1 form I cocrystal, the structure of which has been previously reported, was formed. By spray drying, a new polymorphic form (form II) of the SD:4-ASA 1:1 cocrystal was discovered which could also be obtained by solvent evaporation from ethanol and acetone. Structure determination of the form II cocrystal was calculated using high-resolution X-ray powder diffraction. The solubility of the SD:4-ASA 1:1 cocrystal was dependent on the pH and predicted by a model established for a two amphoteric component cocrystal. The form I cocrystal was found to be thermodynamically more stable in aqueous solution than form II, which showed transformation to form I. Dissolution studies revealed that the dissolution rate of SD from both cocrystals was enhanced when compared with a physical equimolar mixture and pure SD.

An ionic liquid process for mercury removal from natural gas

Efficient scrubbing of mercury vapour from natural gas streams has been demonstrated both in the laboratory and on an industrial scale, using chlorocuprate(ii) ionic liquids impregnated on high surface area porous solid supports, resulting in the effective removal of mercury vapour from natural gas streams. This material has been commercialised for use within the petroleum gas production industry, and has currently been running continuously for three years on a natural gas plant in Malaysia. Here we report on the chemistry underlying this process, and demonstrate the transfer of this technology from gram to ton scale.

Co-tape casting fabrication, field assistant sintering and evaluation of a coke resistant La0.2Sr0.7TiO3-Ni/YSZ functional gradient anode supported solid oxide fuel cell

The ability to directly utilize hydrocarbons and other renewable liquid fuels is one of the most important issues affecting the large scale deployment of solid oxide fuel cells (SOFCs). Herein we designed La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ functional gradient anode (FGA) supported SOFCs, prepared with a co-tape casting method and sintered using the field assisted sintering technique (FAST). Through SEM observations, it was confirmed that the FGA structure was achieved and well maintained after the FAST process. Distortion and delamination which usually results after conventional sintering was successfully avoided. The La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ FGA supported SOFCs showed a maximum power density of 600mWcm^-2 at 750°C, and was stable for 70h in CH₄. No carbon deposition was detected using Raman spectroscopy. These results confirm the potential coke resistance of La_0.2Sr_0.7TiO₃-Ni/YSZ FGA supported SOFCs.

A Correlation between the Dynamic Viscosity and Crystallisation of Felodipine from its Amorphous Polymer Solid Dispersion

Purpose Previously, it has been reported that molecular mobility determines the rate of molecular approach to crystal surfaces, while entropy relates to the probability of that approaching molecule having the desirable configuration for further growth of the existing crystal; and the free energy dictates the probability of that molecule not returning to the liquid phase1. If we plot the crystal growth rate and viscosity of a supercooled liquid in a log-log format, the relationship between the two is linear, indicating the influence viscosity has upon crystal growth rate. However, such approximation has been derived from pure drug compounds and it is apparent that further understanding of crystallization from drug-polymer solid dispersion is required in order to stabilise drugs embedded within amorphous polymeric solid dispersions. Methods Mixtures of felodipine and polymer (HPMCAS-HF, PVPK15 and Soluplus®) at specified compositions were prepared using a Restch MM200 ball mill. To examine crystal growth within amorphous solid dispersions, samples were prepared by melting 5-10 mg of ball milled mixture at 150°C for 3-5 minutes on a glass slip pre-cleaned with methanol and acetone. All prepared samples were confirmed to be crystal free by visual observation using a polarised light microscope (Olympus BX50). Prepared samples were stored at 0% RH (P2O5), inside desiccators, maintained in ovens at 80°C. For the dynamic viscosity measurement, approximately 100-200mg ball milled mixture was heated on the base plate of a rotational rheometer at 150°C for 5 minutes and the top plate was lowered to a defined gap to form a good contact with the material. The sandwiched amorphous material was heated to 80°C and the viscosity was measured. Results The equation was used to probe the correlation of viscosity to crystal growth rate. In comparison to the value of xi in log-log equation reported from pure drug compound, a value of 1.63 was obtained for FD-polymer solid dispersions irrespective of the polymer involved. &#8733 Conclusion The high xi value suggests stronger viscosity dependence may exist for amorphous FD once incorporated with amorphous polymer.

Ionic liquid gel materials: applications in green and sustainable chemistry

Ionic liquid gel materials offer a way to further utilise ionic liquids in technological applications. Combining the controlled and directed assembly of gels, with the diverse applications of ionic liquids, enables the design of a heady combination of functional tailored materials, leading to the development of task specific / functional ionic liquid gels. This review introduces gels and gel classification, focusing on ionic liquid gels and their potential roles in a more sustainable future. Ionic liquid gels provide the ability to build functionality at every level, the solid component, the ionic liquid, and any incorporated active functional agents. This allows materials to be custom designed for a vast assortment of applications. This diverse class of materials has the potential to yield functional materials for green and sustainable chemistry, energy, electronics, medicine, food, cosmetics, and more. The discussion of the development of ionic liquid gel materials for applications in green and sustainable chemistry centres on uses of ionic liquid gels in catalysis and energy.

Enantiomeric fraction evaluation of pharmaceuticals in environmentalmatrices by liquid chromatography-tandem mass spectrometry

The interest for environmental fate assessment of chiral pharmaceuticals is increasing and enantioselective analytical methods are mandatory. This study presents an enantioselective analytical method for the quantification of seven pairs of enantiomers of pharmaceuticals and a pair of a metabolite. The selected chiral pharmaceuticals belong to three different therapeutic classes, namely selective serotonin reuptake inhibitors (venlafaxine, fluoxetine and its metabolite norfluoxetine), beta-blockers (alprenolol, bisoprolol, metoprolol, propranolol) and a beta2-adrenergic agonist (salbutamol). The analytical method was based on solid phase extraction followed by liquid chromatography tandem mass spectrometry with a triple quadrupole analyser. Briefly, Oasis® MCX cartridges were used to preconcentrate 250 mL of water samples and the reconstituted extracts were analysed with a Chirobiotic™ V under reversed mode. The effluent of a laboratory-scale aerobic granular sludge sequencing batch reactor (AGS-SBR) was used to validate the method. Linearity (r2 > 0.99), selectivity and sensitivity were achieved in the range of 20–400 ng L−1 for all enantiomers, except for norfluoxetine enantiomers which range covered 30–400 ng L−1. The method detection limits were between 0.65 and 11.5 ng L−1 and the method quantification limits were between 1.98 and 19.7 ng L−1. The identity of all enantiomers was confirmed using two MS/MS transitions and its ion ratios, according to European Commission Decision 2002/657/EC. This method was successfully applied to evaluate effluents of wastewater treatment plants (WWTP) in Portugal. Venlafaxine and fluoxetine were quantified as non-racemic mixtures (enantiomeric fraction ≠ 0.5). The enantioselective validated method was able to monitor chiral pharmaceuticals in WWTP effluents and has potential to assess the enantioselective biodegradation in bioreactors. Further application in environmental matrices as surface and estuarine waters can be exploited.

Liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC/APCI-MS/MS) methods for the quantification of captan and folpet phthalimide metabolites in human plasma and urine.

Captan and folpet are fungicides largely used in agriculture. They have similar chemical structures, except that folpet has an aromatic ring unlike captan. Their half-lives in blood are very short, given that they are readily broken down to tetrahydrophthalimide (THPI) and phthalimide (PI), respectively. Few authors measured these biomarkers in plasma or urine, and analysis was conducted either by gas chromatography coupled to mass spectrometry or liquid chromatography with UV detection. The objective of this study was thus to develop simple, sensitive and specific liquid chromatography-atmospheric pressure chemical ionization-tandem mass spectrometry (LC/APCI-MS/MS) methods to quantify both THPI and PI in human plasma and urine. Briefly, deuterated THPI was added as an internal standard and purification was performed by solid-phase extraction followed by LC/APCI-MS/MS analysis in negative ion mode for both compounds. Validation of the methods was conducted using spiked blank plasma and urine samples at concentrations ranging from 1 to 250 μg/L and 1 to 50 μg/L, respectively, along with samples of volunteers and workers exposed to captan or folpet. The methods showed a good linearity (R (2) > 0.99), recovery (on average 90% for THPI and 75% for PI), intra- and inter-day precision (RSD, <15%) and accuracy (<20%), and stability. The limit of detection was 0.58 μg/L in urine and 1.47 μg/L in plasma for THPI and 1.14 and 2.17 μg/L, respectively, for PI. The described methods proved to be accurate and suitable to determine the toxicokinetics of both metabolites in human plasma and urine.

The infared optical properties of Sr2RuO4 and SmTiO3 including an object-oriented resistivity interface /

The perovskite crystal structure is host to many different materials from insulating to superconducting providing a diverse range of intrinsic character and complexity. A better fundamental description of these materials in terms of their electronic, optical and magnetic properties undoubtedly precedes an effective realization of their application potential. SmTiOa, a distorted perovskite has a strongly localized electronic structure and undergoes an antiferromagnetic transition at 50 K in its nominally stoichiometric form. Sr2Ru04 is a layered perovskite superconductor (ie. Tc % 1 K) bearing the same structure as the high-tem|>erature superconductor La2_xSrrCu04. Polarized reflectance measurements were carried out on both of these materials revealing several interesting features in the far-infrared range of the spectrum. In the case of SmTiOa, although insulating, evidence indicates the presence of a finite background optical conductivity. As the temperature is lowered through the ordering temperature a resonance feature appears to narrow and strengthen near 120 cm~^ A nearby phonon mode appears to also couple to this magnetic transition as revealed by a growing asymmetry in the optica] conductivity. Experiments on a doped sample with a greater itinerant character and lower Neel temperature = 40 K also indicate the presence of this strongly temperature dependent mode even at twice the ordering temperature. Although the mode appears to be sensitive to the magnetic transition it is unclear whether a magnon assignment is appropriate. At very least, evidence suggests an interesting interaction between magnetic and electronic excitations. Although Sr2Ru04 is highly anisotropic it is metallic in three-dimensions at low temperatures and reveals its coherent transport in an inter-plane Drude-like component to the highest temperatures measured (ie. 90 K). An extended Drude analysis is used to probe the frequency dependent scattering character revealing a peak in both the mass enhancement and scattering rate near 80 cm~* and 100 cm~* respectively. All of these experimental observations appear relatively consistent with a Fermi-liquid picture of charge transport. To supplement the optical measurements a resistivity station was set up with an event driven object oriented user interface. The program controls a Keithley Current Source, HP Nano-Voltmeter and Switching Unit as well as a LakeShore Temperature Controller in order to obtain a plot of the Resistivity as a function of temperature. The system allows for resistivity measurements ranging from 4 K to 290 K using an external probe or between 0.4 K to 295 K using a Helium - 3 Cryostat. Several materials of known resistivity have confirmed the system to be robust and capable of measuring metallic samples distinguishing features of several fiQ-cm.

Investigations into the extraction and the determination of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) from water by solid-phase extraction and capillary gas chromatography/ mass spectrometry

Factors affecting the detennination of PAHs by capillary GC/MS were studied. The effect of the initial column temperature and the injection solvent on the peak areas and heights of sixteen PAHs, considered as priority pollutants, USillg crosslinked methyl silicone (DB!) and 5% diphenyl, 94% dimethyl, 1% vinyl polysiloxane (DBS) columns was examined. The possibility of using high boiling point alcohols especially butanol, pentanol, cyclopentanol, and hexanol as injection solvents was investigated. Studies were carried out to optimize the initial column temperature for each of the alcohols. It was found that the optimum initial column temperature is dependent on the solvent employed. The peak areas and heights of the PAHs are enhanced when the initial column temperature is 10-20 c above the boiling point of the solvent using DB5 column, and the same or 10 C above the boiling point of the solvent using DB1 column. Comparing the peak signals of the PAHs using the alcohols, p-xylene, n-octane, and nonane as injection solvents, hexanol gave the greatest peak areas and heights of the PAHs particularly the late-eluted peaks. The detection limits were at low pg levels, ranging from 6.0 pg for fluorene t9 83.6 pg for benzo(a)pyrene. The effect of the initial column temperature on the peak shape and the separation efficiency of the PARs was also studied using DB1 and DB5 columns. Fronting or splitting of the peaks was obseIVed at very low initial column temperature. When high initial column temperature was used, tailing of the peaks appeared. Great difference between DB! and.DB5 columns in the range of the initial column temperature in which symmetrical.peaks of PAHs can be obtained is observed. Wider ranges were shown using DB5 column. Resolution of the closely-eluted PAHs was also affected by the initial column temperature depending on the stationary phase employed. In the case of DB5, only the earlyeluted PAHs were affected; whereas, with DB1, all PAHs were affected. An analytical procedure utilizing solid phase extraction with bonded phase silica (C8) cartridges combined with GC/MS was developed to analyze PAHs in water as an alternative method to those based on the extraction with organic solvent. This simple procedure involved passing a 50 ml of spiked water sample through C8 bonded phase silica cartridges at 10 ml/min, dried by passing a gentle flow of nitrogen at 20 ml/min for 30 sec, and eluting the trapped PAHs with 500 Jll of p-xylene at 0.3 ml/min. The recoveries of PAHs were greater than 80%, with less than 10% relative standard deviations of nine determinations. No major contaminants were present that could interfere with the recognition of PAHs. It was also found that these bonded phase silica cartridges can be re-used for the extraction of PAHs from water.

Propriétés supramoléculaires des cations diimidazolium disubstitués : des complexes d’inclusion en solution aux interactions à l’état cristallin et cristal liquide

Les sels d’imidazolium ont un rôle important dans certaines protéines et acides nucléiques et ont été utilisés à de nombreuses reprises dans des assemblages supramoléculaires en raison de leurs propriétés uniques. Les sels de diimidazolium dérivés sont toutefois moins connus. Ils ont pour l’instant uniquement été utilisés comme des précurseurs de carbènes N-hétérocycliques. Ils sont donc à la base de plusieurs catalyseurs utilisés pour des réactions de couplage croisés mais leurs propriétés sont toutefois méconnues dans le cadre de la chimie supramoléculaire. Cette classe de composés a nottament attiré notre attention en raison de la facilité de modification de leurs propriétés physico-chimiques par modification de leur structure chimique. L’objectif général des travaux présentés dans cette thèse est l’étude des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium disubstitués en solution (aqueuse ou organique), ainsi qu’en phase solide ou cristal-liquide. L’influence de l’espaceur entre les deux noyaux imidazolium ainsi que l’influence des substituants latéraux et des contre-ions a été étudiée. Dans un premier temps, les propriétés de complexation des sels de diimidazolium à des macrocycles sont étudiées. Les sels bromure sont étudiés en solution aqueuse avec plusieurs cyclodextrines et le cucurbit[7]uril, et les sels hexafluorophosphate sont étudiés en solution organique pour leur complexation avec l’éther couronne DB24C8 et un calix[4]arène. Cette nouvelle classe de composés a montré de très bonnes propriétés de complexation à ces différents macrocycles en solution et a également permis de contrôler différents assemblages supramoléculaires à l’interface air-eau. Dans un deuxième temps, l’étude des sels de phénylènediimidazolium a permis de modifier les propriétés de complexation en solution pour obtenir la formation de complexes multiples avec le cucurbit[7]util en solution aqueuse. Cette même famille de composés a également permis la formation de cristaux liquides ioniques lorsque les substituants sont des chaînes alkyles plus longues. La résolution de plusieurs structures cristallines de différents sels de diimidazolium a finalement permis de comprendre la nature des interactions intermoléculaires à l’état cristallin. La recherche présentée dans cette thèse a donc permis une étude détaillée des propriétés supramoléculaires des sels de diimidazolium dans tous les états de la matière qui leur sont accessibles.

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

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

Contrôle de l'organisation moléculaire en 2D et 3D par l’utilisation de liaisons hydrogène, de coordination métallique et d'autres interactions

La stratégie de la tectonique moléculaire a montré durant ces dernières années son utilité dans la construction de nouveaux matériaux. Elle repose sur l’auto-assemblage spontané de molécule dite intelligente appelée tecton. Ces molécules possèdent l’habilité de se reconnaitre entre elles en utilisant diverses interactions intermoléculaires. L'assemblage résultant peut donner lieu à des matériaux moléculaires avec une organisation prévisible. Cette stratégie exige la création de nouveaux tectons, qui sont parfois difficiles à synthétiser et nécessitent dans la plupart des cas de nombreuses étapes de synthèse, ce qui empêche ou limite leur mise en application pratique. De plus, une fois formées, les liaisons unissant le corps central du tecton avec ces groupements de reconnaissance moléculaire ne peuvent plus être rompues, ce qui ne permet pas de remodeler le tecton par une procédure synthétique simple. Afin de contourner ces obstacles, nous proposons d’utiliser une stratégie hybride qui se sert de la coordination métallique pour construire le corps central du tecton, combinée avec l'utilisation des interactions plus faibles pour contrôler l'association. Nous appelons une telle entité métallotecton du fait de la présence du métal. Pour explorer cette stratégie, nous avons construit une série de ligands ditopiques comportant soit une pyridine, une bipyridine ou une phénantroline pour favoriser la coordination métallique, substitués avec des groupements diaminotriazinyles (DAT) pour permettre aux complexes de s'associer par la formation de ponts hydrogène. En plus de la possibilité de créer des métallotectons par coordination, ces ligands ditopiques ont un intérêt intrinsèque en chimie supramoléculaire en tant qu'entités pouvant s'associer en 3D et en 2D. En parallèle à notre étude de la chimie de coordination, nous avons ii examiné l'association des ligands, ainsi que celle des analogues, par la diffraction des rayons-X (XRD) et par la microscopie de balayage à effet tunnel (STM). L'adsorption de ces molécules sur la surface de graphite à l’interface liquide-solide donne lieu à la formation de différents réseaux 2D par un phénomène de nanopatterning. Pour comprendre les détails de l'adsorption moléculaire, nous avons systématiquement comparé l’organisation observée en 2D par STM avec celle favorisée dans les structures 3D déterminées par XRD. Nous avons également simulé l'adsorption par des calculs théoriques. Cette approche intégrée est indispensable pour bien caractériser l’organisation moléculaire en 2D et pour bien comprendre l'origine des préférences observées. Ces études des ligands eux-mêmes pourront donc servir de référence lorsque nous étudierons l'association des métallotectons dérivés des ligands par coordination. Notre travail a démontré que la stratégie combinant la chimie de coordination et la reconnaissance moléculaire est une méthode de construction rapide et efficace pour créer des réseaux supramoléculaires. Nous avons vérifié que la stratégie de la tectonique moléculaire est également efficace pour diriger l'organisation en 3D et en 2D, qui montre souvent une homologie importante. Nous avons trouvé que nos ligands hétérocycliques ont une aptitude inattendue à s’adsorber fortement sur la surface de graphite, créant ainsi des réseaux organisés à l'échelle du nanomètre. L’ensemble de ces résultats promet d’offrir des applications dans plusieurs domaines, dont la catalyse hétérogène et la nanotechnologie. Mots clés : tectonique moléculaire, interactions intermoléculaires, stratégie hybride, coordination métallique, diffraction des rayons-X, microscopie de balayage à effet tunnel, graphite, phénomène de nanopatterning, calculs théoriques, ponts hydrogène, chimie supramoléculaire, ligands hétérocycliques, groupements DAT, catalyse hétérogène, nanotechnologie.

Novel non phospholipid liposomes with high sterol content : development and characterization

Les liposomes sont des nanovecteurs polyvalents et prometteurs quant à leur utilisation dans plusieurs domaines. Il y a une décennie, un nouveau type de liposome constitué d’amphiphiles monoalkylés et de stérols est né fortuitement dans notre groupe. Ils sont nommés Stérosomes puisqu’ils contiennent une grande proportion de stérols, entre 50 et 70 mol %. Les objectifs de cette thèse sont de développer de nouvelles formulations de Stérosomes ayant des caractéristiques spécifiques et d’acquérir une compréhension plus profonde des règles physicochimiques qui dictent leur comportement de phase. Nous avons spécifiquement examiné le rôle de motifs moléculaires des stérols, de la charge interfaciale et de la capacité à former des liaisons H dans les interactions intermoléculaires menant à l’autoassemblage. Le comportement de phase a été caractérisé par calorimétrie différentielle à balayage (DSC), par spectroscopie infrarouge (IR) et par spectroscopie de résonance magnétique nucléaire du deutérium (²H NMR). Premièrement, nous avons établi certaines corrélations entre la structure des stérols, leur tendance à former des bicouches fluides en présence d'amphiphile monoalkylé et la perméabilité des grandes vésicules unilamellaires (LUV) formées. La nature des stérols module les propriétés de mélange avec de l’acide palmitique (PA). Les stérols portant une chaîne volumineuse en position C17 sont moins aptes à induire des bicouches fluides que ceux qui ont une chaîne plus simple, comme celle du cholestérol. Un grand ordre de la chaîne alkyle de PA est un effet commun à tous les stérols investigués. Il a été démontré que la perméabilité des LUV peut être contrôlée en utilisant des stérols différents. Cependant, ces stérols n’ont aucun impact significatif sur la sensibilité des Stérosomes au pH. Afin de créer des liposomes qui sont sensibles au pH et qui ont une charge positive à la surface, des Stérosomes composés de stéarylamine et de cholestérol (Chol) ont été conçus et caractérisés. Il a été conclu que l’état de protonation de l’amine, dans ce travail, ou du groupe carboxylique, dans un travail précédent, confère une sensibilité au pH et détermine la charge à la surface du liposome. Les premiers Stérosomes complètement neutres ont été fabriqués en utilisant un réseau de fortes liaisons H intermoléculaires. Le groupe sulfoxyde est capable de former de fortes liaisons H avec le cholestérol et les molécules d’eau. Une bicouche fluide métastable a été obtenue, à la température de la pièce, à partir d'un mélange équimolaire d’octadécyl méthyl sulfoxyde (OMSO) et de Chol. Ce comportement distinct a permis d’extruder le mélange pour former des LUV à la température de la pièce. Après 30 h, le temps de vie de la phase métastable, des Stérosomes stables et imperméables existaient toujours sous une forme solide. Un diagramme de température-composition a été proposé afin de résumer le comportement de phase des mélanges d’OMSO/Chol. Finalement, nous avons élaboré des Stérosomes furtifs en incorporant du polyéthylène glycol (PEG) avec une ancre de cholestérol (PEG-Chol) à l’interface de Stérosomes de PA/Chol. Jusqu’à 20 mol % de PEG-Chol peut être introduit sans perturber la structure de la bicouche. La présence du PEG-Chol n’a aucun impact significatif sur la perméabilité de la LUV. L'encapsulation active de la doxorubicine, un médicament contre le cancer, a été réalisée malgré la faible perméabilité de ces LUV et la présence du PEG à l’interface. L’inclusion de PEG a modifié considérablement les propriétés de l’interface et a diminué la libération induite par la variation de pH observée avec des LUV nues de PA/Chol. Cette formulation inédite est potentiellement utile pour l’administration intraveineuse de médicaments.

Agrégation de tensioactifs anioniques à une interface solide-aqueux induite par l'oxydation d'une monocouche auto-assemblée de ferrocenylalkanethiolates

L'oxydoréduction des monocouches auto-assemblées («Self-assembled monolayers ou SAMs) de ferrocenyldodecanethiolates sur une surface d'or (Fc(CH2)12SAu) dans des solutions aqueuses de n-alkyle sulfate de sodium (6, 8, 10 et 12 atomes de carbone) est étudiée par spectroscopie de résonance des plasmons de surface («Surface Plasmons Resonance ou SPR) couplée avec de la voltampérométrie cyclique (VC). La technique SPR est utilisée pour suivre en temps réel l'adsorption des tensioactifs en fonction du potentiel appliqué. Elle permet de quantifier l'épaisseur et le recouvrement des molécules adsorbées pour déterminer l'organisation des tensioactifs anioniques sur la SAM. La VC est utilisée afin de caractériser l'oxydation du groupement ferrocène en présence des n-alkyle sulfate de sodium qui s'associent à la SAM grâce à l'appariement entre le ferrocénium et le groupement sulfate. Des mélanges binaires d'alkylesulfates de différentes compositions sont utilisés dans le but de déterminer l'organisation induite par une réaction d'oxydoréduction. L'effet de la longueur de la chaîne d'hydrocarbures sur la quantité de tensioactifs anioniques adsorbés ainsi que les affinités relatives d'appariement des anions alkyle sulfate aux ferrocéniums sont rapportés dans ce mémoire. Ces surfaces électrosensibles permettront la détection de molécules amphiphiles et la compréhension du comportement de mélanges binaires de tensioactifs. Ainsi, ces travaux apporteront une avancée sur la modulation électrochimique de l'organisation de matériaux sur des substrats solides basée sur l'appariement d'ions.