Study of the transamidative ring expansion of N--halogenoalkyl--lactams of alkyl chain lengths 2–12 in liquid ammonia and other liquid amines: syntheses of 7-, 8- and 9-membered 1,5-diaza cyclic ketones, including routes to (±)-dihydroperiphylline and (±)-celabenzine

N-(3-Halogenopropyl)-4-phenylazetidin-2-ones undergo amination in liquid ammonia followed by transamidative ring expansion to give the eight-membered 4-phenyl -1,5-diazacyclooctan-2-one in excellent yield. Ring expansion of the amines in liquid ammonia is found to be much more effective than in hydrocarbon solvents. Formation of 7-, 8-, and 9-membered azalactams from the requisite -halogenoalkyl--lactams is an excellent synthetic process, though it is not applicable to 10membered rings. In the cases of rings of 13-, 15- and 17-members, although amination and apparent expansion takes place, the large rings appear not to be stable to ammonia and the final products are acyclic amides. N-[4-Halogenobut-2(Z)-enyl]-4-phenylazetidin-2-one satisfactorily forms a 9-membered (Z)-olefinic azalactam, but the (E)-isomer gives an acyclic amino amide. By using alkyl-substituted -lactam side-chains, C-substituted medium rings can be obtained; the relative instability of N-acyl -lactams to ammonia, however, leads to acylamino amides rather than expanded rings.Employing ethylamine in place of ammonia, it is shown that N-ethylated azalactams are formed satisfactorily, and using allylamine, N-allyl medium rings capable of further elaboration are obtained. The chemistry of these systems is discussed. Using transamidation in liquid ammonia, a short synthesis of the 9-membered spermidine alkaloid (±)-dihydroperiphylline is reported. Synthesis of key intermediates, whose transformation into the 13-membered alkaloids of the celabenzine group has already been effected, has been carried out.X-Ray single-crystal structure determinations for 4-phenyl-1,5-diazacyclononan-2-one, trans-4-phenyl-8-methyl-1,5-diazacyclooctan-2-one and (Z)-4-phenyl-1,5-diazacyclonon-7-en-2-one are reported, and comment is made on certain conformational features.

Dual functional ionic liquids as plasticisers and antimicrobial agents for medical polymers

Contamination of medical devices with bacteria such as Meticillin resistant Staphylococcus aureus (MRSA) is of great clinical concern. Poly(vinyl chloride) is widely used in the production of medical devices, such as catheters. The flexibility of catheter tubing is derived from the addition of plasticisers. Here, we report the design of two dual functional ionic liquids, 1-ethylpyridinium docusate and tributyl(2-hydroxyethyl)phosphonium docusate, which uniquely provide a plasticising effect, and exhibit antimicrobial and antibiofilm-forming activity to a range of antibiotic resistant bacteria. The plasticisation of poly(vinyl chloride) was tailored as a function of ionic liquid concentration. The effective antimicrobial behaviour of both ionic liquids originates from the chemical structure of the anion or cation and is not limited to the length of the alkyl chain on the anion/cation. The design approach adopted will be useful in developing ionic liquids as multi-functional additives for polymers.

Effect of the incorporation of hydroxy-terminated liquid silicones on the cure characteristics, morphology, and release of a model protein from silicone elastomer-covered rods

Silicone elastomer systems have previously been shown to offer potential for the sustained release of protein therapeutics. However, the general requirement for the incorporation of large amounts of release enhancing solid excipients to achieve therapeutically effective release rates from these otherwise hydrophobic polymer systems can detrimentally affect the viscosity of the precure silicone elastomer mixture and its curing characteristics. The increase in viscosity necessitates the use of higher operating pressures in manufacture, resulting in higher shear stresses that are often detrimental to the structural integrity of the incorporated protein. The addition of liquid silicones increases the initial tan delta value and the tan delta values in the early stages of curing by increasing the liquid character (G '') of the silicone elastomer system and reducing its elastic character (G'), thereby reducing the shear stress placed on the formulation during manufacture and minimizing the potential for protein degradation. However, SEM analysis has demonstrated that if the liquid character of the silicone elastomer is too high, the formulation will be unable to fill the mold during manufacture. This study demonstrates that incorporation of liquid hydroxy-terminated polydimethylsiloxanes into addition-cure silicone elastomer-covered rod formulations can both effectively lower the viscosity of the precured silicone elastomer and enhance the release rate of the model therapeutic protein bovine serum albumin. (C) 2011 Wiley Periodicals, Inc. J Appl Polym Sci, 2011

Pinning down the solid-state polymorphism of the ionic liquid [bmim][PF6]

The solid-state polymorphism of the ionic liquid 1-butyl-3-methylimidazolium hexafluorophosphate, [bmim][PF6], has been investigated via low-temperature and high-pressure crystallisation experiments. The samples have been characterised by single-crystal X-ray diffraction, optical microscopy and Raman spectroscopy. The solid-state phase behaviour of the compound is confirmed and clarified with respect to previous phase diagrams. The structures of the previously reported gamma-form, which essentially exhibits a G'T cation conformation, as well as those of the elusive beta- and alpha-forms, are reported. Crystals of the beta-phase are twinned and the structure is heavily disordered; the cation conformation in this form is predominantly TT, though significant contributions from other less frequently encountered conformers are also observed at low temperature and high pressure. The cation conformation in the alpha-form is GT; the presence of the G'T conformer at 193 K in this phase can be eliminated on cooling to 100 K. Whilst X-ray structural data are overall in good agreement with previous interpretations based on Raman and NMR studies, they also reveal a more subtle interplay of intermolecular interactions, which give rise to a wider range of conformers than previously considered.

Separate Density and Viscosity Determination of Room Temperature Ionic Liquids using Dual Quartz Crystal Microbalances

The drive towards cleaner industrial processes has led to the development of room temperature ionic liquids (RTIL) as environmentally friendly solvents. They comprise solely of ions which are liquid at room temperature and with over one million simple RTIL alone it is important to characterize their physical properties using minimal sample volumes. Here we present a dual Quartz Crystal Microbalance (QCM) which allows separate determination of viscosity and density using a total sample volume of only 240 mu L. Liquid traps were fabricated on the sensing area of one QCM using SU-8 10 polymer with a second QCM having a flat surface. Changes in the resonant frequencies were used to extract separate values for viscosity and density. Measurements of a range of pure RTIL with minimal water content have been made on five different trap designs. The best agreement with measurements from the larger volume techniques was obtained for trap widths of around 50 pm thus opening up the possibility of integration into lab-on-a-chip systems.

An efficient Cu(II)-bis(oxazoline)-based polymer immobilised ionic liquid phase catalyst for asymmetric carbon–carbon bond formation

The asymmetric Diels-Alder reaction between N-acryloyloxazolidinone and cyclopentadiene and the Mukaiyama-aldol reaction between methylpyruvate and 1-phenyl-1-trimethylsilyloxyethene have been catalysed by heterogeneous copper(II)-bis(oxazoline)-based polymer immobilised ionic liquid phase (PIILP) systems generated from a range of linear and cross linked ionic polymers. In both reactions selectivity and ee were strongly influenced by the choice of polymer. A comparison of the performance of a range of Cu(II)-bis(oxazoline)-PIILP catalyst systems against analogous supported ionic liquid phase (SILP) heterogeneous catalysts as well as their homogeneous counterparts has been undertaken and their relative merits evaluated.

Water spray cooling of polymers

The cooling process in conventional rotomolding is relatively long due to poor thermal conductivity of plastics. The lack of internal cooling is a major limitation although rapid external cooling is possible. Various internal cooling methodologies have been studied to reduce the cycle time. These include the use of compressed air, cryogenic liquid nitrogen, chilled water coils, and cryogenic liquid carbon dioxide, all of which have limitations. However, this article demonstrates the use of water spray cooling of polymers as a viable and effective method for internal cooling in rotomolding. To this end, hydraulic, pneumatic, and ultrasonic nozzles were applied and evaluated using a specially constructed test rig to assess their efficiency. The effects of nozzle type and different parametric settings on water droplet size, velocity, and mass flow rate were analyzed and their influence on cooling rate, surface quality, and morphology of polymer exposed to spray cooling were characterized. The pneumatic nozzle provided highest average cooling rate while the hydraulic nozzle gave lowest average cooling rate. The ultrasonic nozzle with medium droplet size traveling at low velocity produced satisfactory surface finish. Water spray cooling produced smaller spherulites compared to ambient cooling whilst increasing the cooling rate decreases the percentage crystallinity. © 2011 Society of Plastics Engineers Copyright © 2011 Society of Plastics Engineers.

Investigation of the solid-liquid phase transition of carbon at 150 GPa with spectrally resolved X-ray scattering

We have resolved the solid-liquid phase transition of carbon at pressures around 150GPa. High-pressure samples of different temperatures were created by laser-driven shock compression of graphite and varying the initial density from 1.30g/cm³ to 2.25g/cm³. In this way, temperatures from 5700K to 14,500K could be achieved for relatively constant pressure according to hydrodynamic simulations. From measuring the elastic X-ray scattering intensity of vanadium K-alpha radiation at 4.95keVat a scattering angle of 126°, which is very sensitive to the solid-liquid transition, we can determine whether the sample had transitioned to the fluid phase. We find that samples of initial density 1.3g/cm³ and 1.85g/cm³ are liquid in the compressed states, whereas samples close to the ideal graphite crystal density of 2.25g/cm³ remain solid, probably in a diamond-like state.

Label-free Detection of Microcystin-LR in Waters Using Real-Time Potentiometric Biosensors Based on Single-Walled Carbon Nanotubes Imprinted Polymers

Microcystin-LR (MC-LR) is a dangerous toxin found in environmental waters, quantified by high performance liquid chromatography and/or enzyme-linked immunosorbent assays. Quick, low cost and on-site analysis is thus required to ensure human safety and wide screening programs. This work proposes label-free potentiometric sensors made of solid-contact electrodes coated with a surface imprinted polymer on the surface of Multi-Walled Carbon NanoTubes (CNTs) incorporated in a polyvinyl chloride membrane. The imprinting effect was checked by using non-imprinted materials. The MC-LR sensitive sensors were evaluated, characterized and applied successfully in spiked environmental waters. The presented method offered the advantages of low cost, portability, easy operation and suitability for adaptation to flow methods.

Crystal Growth and Characterization of Li0.9Mo6O17

Purple bronze Li0.9Mo6O17 has attracted researchers for its low dimensionality and corresponding properties. Although it has been studied for nearly two decades, there are still some unsolved puzzles with this unique material. Single crystals of Li0.9Mo6O17 were grown using the temperature gradient flux technique in this research. The crystal growth was optimized by experimenting different conditions and good quality crystals were obtained. X-ray diffraction results have confirmed the right phase of the crystals. Resistivity measurements and magnetic susceptibility measurements were carried out, and anomalous electronic behaviors were found. All of the samples showed the metal-insulator transition near 20K, followed by behavior that differs from sample to sample: either superconducting, metallic or insulating behavior was observed below 2K. Li0.9Mo6O17 was considered as a quasi-one-dimensional crystal and also a superconducting crystal, which implies a dimensional crossover may occur at the metal-insulator transition. A two-band scenario of the Luttinger liquid model was used to fit the resistivity data and excellent results were achieved, suggesting that the Luttinger theory is a very good candidate for the explanation of the anomalous behavior of Li0.9Mo6O17. In addition, the susceptibility measurements showed Curie paramagnetism and some temperature independent paramagnetism at low temperature. The absence of any anomalous magnetic feature near 20K where the resistivity upturn takes place, suggests that a charge density wave mechanism, which has been proposed by some researchers, is not responsible for the unique properties of Li0.9Mo6O17.

Electrospinning and characterization of self-assembled inclusion complexies

L’électrofilage est une technique permettant de fabriquer des fibres polymériques dont le diamètre varie entre quelques nanomètres et quelques microns. Ces fibres ont donc un rapport surface/volume très élevé. Les fibres électrofilées pourraient trouver des applications dans le relargage de médicaments et le génie tissulaire, comme membranes et capteurs chimiques, ou dans les nanocomposites et dispositifs électroniques. L’électrofilage était initialement utilisé pour préparer des toiles de fibres désordonnées, mais il est maintenant possible d’aligner les fibres par l’usage de collecteurs spéciaux. Cependant, il est important de contrôler non seulement l’alignement macroscopique des fibres mais aussi leur orientation au niveau moléculaire puisque l’orientation influence les propriétés mécaniques, optiques et électriques des polymères. Les complexes moléculaires apparaissent comme une cible de choix pour produire des nanofibres fortement orientées. Dans les complexes d’inclusion d’urée, les chaînes polymères sont empilées dans des canaux unidimensionnels construits à partir d’un réseau tridimensionnel de molécules d’urée liées par des ponts hydrogène. Ainsi, les chaînes polymère sonts très allongées à l’échelle moléculaire. Des nanofibres du complexe PEO-urée ont été préparées pour la première fois par électrofilage de suspensions et de solutions. Tel qu’attendu, une orientation moléculaire inhabituellement élevée a été observée dans ces fibres. De tels complexes orientés pourraient être utilisés à la fois dans des études fondamentales et dans la préparation de matériaux hiérarchiquement structurés. La méthode d’électrofilage peut parfois aussi être utilisée pour préparer des matériaux polymériques métastables qui ne peuvent pas être préparés par des méthodes conventionnelles. Ici, l’électrofilage a été utilisé pour préparer des fibres des complexes stables (α) et "métastables" (β) entre le PEO et l’urée. La caractérisation du complexe β, qui était mal connu, révèle un rapport PEO:urée de 12:8 appartenant au système orthorhombique avec a = 1.907 nm, b = 0.862 nm et c = 0.773 nm. Les chaînes de PEO sont orientées selon l’axe de la fibre. Leur conformation est significativement affectée par les ponts hydrogène. Une structure en couches a été suggérée pour la forme β, plutôt que la structure conventionnelle en canaux adoptée par la forme α. Nos résultats indiquent que le complexe β est thermodynamiquement stable avant sa fonte et peut se transformer en forme α et en PEO liquide par un processus de fonte et recristallisation à 89 ºC. Ceci va dans le sens contraire aux observations faites avec le complexe β obtenu par trempe du complexe α fondu. En effet, le complexe β ainsi obtenu est métastable et contient des cristaux d’urée. Il peut subir une transition de phases cinétique solide-solide pour produire du complexe α dans une vaste gamme de températures. Cette transition est induite par un changement de conformation du PEO et par la formation de ponts hydrogène intermoléculaires entre l’urée et le PEO. Le diagramme de phases du système PEO-urée a été tracé sur toute la gamme de compositions, ce qui a permis d’interpréter la formation de plusieurs mélanges qui ne sont pas à l’équilibre mais qui sont été observés expérimentalement. La structure et le diagramme de phases du complexe PEO-thiourée, qui est aussi un complexe très mal connu, ont été étudiés en détail. Un rapport molaire PEO :thiourée de 3:2 a été déduit pour le complexe, et une cellule monoclinique avec a = 0.915 nm, b = 1.888 nm, c = 0.825 nm et β = 92.35º a été déterminée. Comme pour le complexe PEO-urée de forme β, une structure en couches a été suggérée pour le complexe PEO-thiourée, dans laquelle les molécules de thiourée seraient disposées en rubans intercalés entre deux couches de PEO. Cette structure en couches pourrait expliquer la température de fusion beaucoup plus faible des complexes PEO-thiourée (110 ºC) et PEO-urée de forme β (89 ºC) en comparaison aux structures en canaux du complexe PEO-urée de forme α (143 ºC).

From coordination complexes to coordination polymers

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Polymères de coordination et éponge cristalline : de nouveaux matériaux pour la conversion de l’énergie solaire et la résolution de la structure cristalline de composés huileux.

Le premier volet de ce travail portera sur l’expérience acquise lors d’un stage d’étude à Tokyo, au Japon, dans le groupe de recherche du Pr. Makoto Fujita, une sommité d’envergure internationale dans le domaine de l’auto-assemblage. En continuité avec les plus récents travaux du Pr. Fujita, des systèmes poreux auto-assemblés présentant des cavités fonctionnalisées ont été développés dans le but d’encapsuler des acides gras afin d’en déterminer la structure cristalline. Ces éponges ont été caractérisées par des techniques courantes telles que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire 1H, 13C{1H} et Cosy, la spectrométrie de masse, l’analyse élémentaire, la microscopie optique infrarouge ainsi que la diffraction des rayons X. Une autre approche employée pour obtenir de meilleures propriétés spectroscopiques fut la synthèse de dendrimères métalliques de génération 0. Un nouveau ligand de type 1,3,5-triazine a été synthétisé par une réaction typique de cyclisation de nitrile en présence catalytique d’hydrure de sodium. Des espèces mono-, bis- et trinucléaire de Ru(II) furent synthétisés ainsi que deux espèces hétérométalliques de Ru(II)/Pt(II) et de Ru(II)/Os(II). Tous les complexes obtenus furent caractérisés par spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution et par analyse élémentaire. La génération de dihydrogène à partir de l’espèce hétérométallique a été étudiée. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage. Finalement, dans le but d’améliorer les propriétés spectroscopiques d’absorption de complexes métalliques, nous avons synthétisé une série de polymères homo- et hétérométalliques, intégrant des ligands de type bis(2,2’:6,2’’-terpyridine). Les complexes générés furent caractérisés par diverses techniques tel que la spectroscopie à résonance magnétique nucléaire (1H, 13C{1H} et Cosy) à l’état liquide, par spectroscopie de masse à haute résolution ainsi que par analyse élémentaire. Les propriétés optiques et électroniques ont été analysées par spectroscopie UV-Vis, par analyse de la luminescence, du temps de vie de luminescence, par des analyses de rendement quantique ainsi que par des analyses de voltampérométrie cyclique à balayage.

The effects of additives and chemical modification on the solution properties of thermo-sensitive polymers

Cette thèse concerne l’étude de phase de séparation de deux polymères thermosensibles connus-poly(N-isopropylacylamide) (PNIPAM) et poly(2-isopropyl-2-oxazoline) (PIPOZ). Parmi des études variées sur ces deux polymères, il y a encore deux parties de leurs propriétés thermiques inexplicites à être étudiées. Une partie concerne l’effet de consolvant de PNIPAM dans l’eau et un autre solvant hydromiscible. L’autre est l’effet de propriétés de groupes terminaux de chaînes sur la séparation de phase de PIPOZ. Pour ce faire, nous avons d’abord étudié l’effet de l’architecture de chaînes sur l’effet de cosolvant de PNIPAMs dans le mélange de méthanol/eau en utilisant un PNIPAM en étoile avec 4 branches et un PNIPAM cyclique comme modèles. Avec PNIPAM en étoile, l’adhérence de branches PNIPAM de à un cœur hydrophobique provoque une réduction de Tc (la température du point de turbidité) et une enthalpie plus faible de la transition de phase. En revanche, la Tc de PNIPAM en étoile dépend de la masse molaire de polymère. La coopérativité de déhydratation diminue pour PNIPAM en étoile et PNIPAM cyclique à cause de la limite topologique. Une étude sur l’influence de concentration en polymère sur l’effet de cosolvant de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau a montré qu’une séparation de phase liquide-liquide macroscopique (MLLPS) a lieu pour une solution de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau avec la fraction molaire de méthanol entre 0.127 et 0.421 et la concentration en PNIPAM est constante à 10 g.L-1. Après deux jours d’équilibration à température ambiante, la suspension turbide de PNIPAM dans le mélange méthanol/eau se sépare en deux phases dont une phase possède beaucoup plus de PNIPAM que l’autre. Un diagramme de phase qui montre la MLLPS pour le mélange PNIPAM/eau/méthanol a été établi à base de données expérimentales. La taille et la morphologie de gouttelettes dans la phase riche en polymère condensée dépendent de la fraction molaire de méthanol. Parce que la présence de méthanol influence la tension de surface des gouttelettes liquides, un équilibre lent de la séparation de phase pour PNIPAM/eau/méthanol système a été accéléré et une séparation de phase liquide-liquide macroscopique apparait. Afin d’étudier l’effet de groupes terminaux sur les propriétés de solution de PIPOZ, deux PIPOZs téléchéliques avec groupe perfluorodécanyle (FPIPOZ) ou groupe octadécyle (C18PIPOZ) comme extrémités de chaîne ont été synthétisés. Les valeurs de Tc des polymères téléchéliques ont beaucoup diminué par rapport à celle de PIPOZ. Des micelles stables se forment dans des solutions aqueuses de polymères téléchéliques. La micellization et la séparation de phase de ces polymères dans l’eau ont été étudiées. La séparation de phase de PIPOZs téléchéliques suit le mécanisme de MLLPS. Des différences en tailles de gouttelettes formées à l’intérieur de solutions de deux polymères ont été observées. Pour étudier profondément les différences dans le comportement d’association entre deux polymères téléchéliques, les intensités des signaux de polymères correspondants et les temps de relaxation T1, T2 ont été mesurés. Des valeurs de T2 de protons correspondants aux IPOZs sont plus hautes.

Freezing of 4He and its liquid-solid interface from density functional theory

We show that, at high densities, fully variational solutions of solidlike types can be obtained from a density functional formalism originally designed for liquid 4He . Motivated by this finding, we propose an extension of the method that accurately describes the solid phase and the freezing transition of liquid 4He at zero temperature. The density profile of the interface between liquid and the (0001) surface of the 4He crystal is also investigated, and its surface energy evaluated. The interfacial tension is found to be in semiquantitative agreement with experiments and with other microscopic calculations. This opens the possibility to use unbiased density functional (DF) methods to study highly nonhomogeneous systems, like 4He interacting with strongly attractive impurities and/or substrates, or the nucleation of the solid phase in the metastable liquid.