Electrocatalytic reduction of CO2 to formate using particulate Sn electrodes: Effect of metal loading and particle size

The development of electrochemical processes for the conversion of CO2 into value-added products allows innovative carbon capture & utilization (CCU) instead of carbon capture & storage (CCS). In addition, coupling this conversion with renewable energy sources would make it possible to chemically store electricity from these intermittent renewable sources. The electroreduction of CO2 to formate in aqueous solution has been performed using Sn particles deposited over a carbon support. The effect of the particle size and Sn metal loading has been evaluated using cyclic voltammetry and chronoamperometry. The selected electrode has been tested on an experimental filter-press type cell system for continuous and single pass CO2 electroreduction to obtain formate as main product at ambient pressure and temperature. Experimental results show that using electrodes with 0.75 mg Sn cm−2, 150 nm Sn particles, and working at a current density of 90 mA cm−2, it is possible to achieve rates of formate production over 3.2 mmol m−2 s−1 and faradaic efficiencies around 70% for 90 min of continuous operation. These experimental conditions allow formate concentrations of about 1.5 g L−1 to be obtained on a continuous mode and with a single pass of catholyte through the cell.

Mesoporous Metal Complex–Silica Aerogels for Environmentally Friendly Amination of Allylic Alcohols

Two series of mesoporous hybrid iron(III) complex–silica aerogels were prepared in one-pot synthesis by using the sol–gel coordination chemistry approach. The use of the ligands 3-(2-aminoethylamino)propyltrimethoxysilane and 2-(diphenylphosphino)ethyltriethoxysilane, both with terminal triethoxysilyl groups, were used to incorporate metal complexes in situ into the framework of silica, through their co-condensation with a silicon alkoxide during the aerogel formation. This methodology yielded optically translucent hybrid mesoporous gels with homogeneous metal incorporation and excellent textural properties. The catalytic performance of these materials was tested in the direct amination of allylic alcohols in water as a target reaction, with activities comparable or even higher than those corresponding to the homogeneous iron(III) complex. Furthermore, these catalysts were stable and maintained their catalytic activity after six reaction cycles.

Electronic properties of transition metal atoms on Cu2N/Cu(100)

We study the nature of spin excitations of individual transition metal atoms (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) deposited on a Cu2N/Cu(100) surface using both spin-polarized density functional theory (DFT) and exact diagonalization of an Anderson model derived from DFT. We use DFT to compare the structural, electronic, and magnetic properties of different transition metal adatoms on the surface. We find that the average occupation of the transition metal d shell, main contributor to the magnetic moment, is not quantized, in contrast with the quantized spin in the model Hamiltonians that successfully describe spin excitations in this system. In order to reconcile these two pictures, we build a zero bandwidth multi-orbital Anderson Hamiltonian for the d shell of the transition metal hybridized with the p orbitals of the adjacent nitrogen atoms, by means of maximally localized Wannier function representation of the DFT Hamiltonian. The exact solutions of this model have quantized total spin, without quantized charge at the d shell. We propose that the quantized spin of the models actually belongs to many-body states with two different charge configurations in the d shell, hybridized with the p orbital of the adjacent nitrogen atoms. This scenario implies that the measured spin excitations are not fully localized at the transition metal.

Catalytic wet peroxide oxidation: a route towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites for the degradation of organic pollutants. A review

Several motivations have prompted the scientific community towards the application of hybrid magnetic carbon nanocomposites in catalytic wet peroxide oxidation (CWPO) processes. The most relevant literature on this topic is reviewed, with a special focus on the synergies that can arise from the combination of highly active and magnetically separable iron species with the easily tuned properties of carbon-based materials. These are mainly ascribed to increased adsorptive interactions, to good structural stability and low leaching levels of the metal species, and to increased regeneration and dispersion of the active sites, which are promoted by the presence of the carbon-based materials in the composites. The most significant features of carbon materials that may be further explored in the design of improved hybrid magnetic catalysts are also addressed, taking into consideration the experimental knowledge gathered by the authors in their studies and development of carbon-based catalysts for CWPO. The presence of stable metal impurities, basic active sites and sulphur-containing functionalities, as well as high specific surface area, adequate porous texture, adsorptive interactions and structural defects, are shown to increase the activity of carbon materials when applied in CWPO, while the presence of acidic oxygen-containing functionalities has the opposite effect.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

Design and synthesis of constrained azacyclic pyrrolidine analogues of FTY720 as anticancer agents & metal coordination-controlled and bifunctional catalysis toward tertiary β-Ketols

Cette thèse se compose en deux parties: Première Partie: La conception et la synthèse d’analogues pyrrolidiniques, utilisés comme agents anticancéreux, dérivés du FTY720. FTY720 est actuellement commercialisé comme médicament (GilenyaTM) pour le traitement de la sclérose en plaques rémittente-récurrente. Il agit comme immunosuppresseur en raison de son effet sur les récepteurs de la sphingosine-1-phosphate. A fortes doses, FTY720 présente un effet antinéoplasique. Cependant, à de telles doses, un des effets secondaires observé est la bradycardie dû à l’activation des récepteurs S1P1 et S1P3. Ceci limite son potentiel d’utilisation lors de chimiothérapie. Nos précédentes études ont montré que des analogues pyrrolidiniques dérivés du FTY720 présentaient une activité anticancéreuse mais aucune sur les récepteurs S1P1 et S1P3. Nous avons soumis l’idée qu’une étude relation structure-activité (SARs) pourrait nous conduire à la découverte de nouveaux agents anti tumoraux. Ainsi, deux séries de composés pyrrolidiniques (O-arylmethyl substitué et C-arylmethyl substitué) ont pu être envisagés et synthétisés (Chapitre 1). Ces analogues ont montré d’excellentes activités cytotoxiques contre diverses cellules cancéreuses humaines (prostate, colon, sein, pancréas et leucémie), plus particulièrement les analogues actifs qui ne peuvent pas être phosphorylés par SphK, présentent un plus grand potentiel pour le traitement du cancer sans effet secondaire comme la bradycardie. Les études mécanistiques suggèrent que ces analogues de déclencheurs de régulation négative sur les transporteurs de nutriments induisent une crise bioénergétique en affamant les cellules cancéreuses. Afin d’approfondir nos connaissances sur les récepteurs cibles, nous avons conçu et synthétisé des sondes diazirine basées sur le marquage d’affinité aux photons (méthode PAL: Photo-Affinity Labeling) (Chapitre 2). En s’appuyant sur la méthode PAL, il est possible de récolter des informations sur les récepteurs cibles à travers l’analyse LC/MS/MS de la protéine. Ces tests sont en cours et les résultats sont prometteurs. Deuxième partie: Coordination métallique et catalyse di fonctionnelle de dérivés β-hydroxy cétones tertiaires. Les réactions de Barbier et de Grignard sont des méthodes classiques pour former des liaisons carbone-carbone, et généralement utilisées pour la préparation d’alcools secondaires et tertiaires. En vue d’améliorer la réaction de Grignard avec le 1-iodobutane dans les conditions « one-pot » de Barbier, nous avons obtenu comme produit majoritaire la β-hydroxy cétone provenant de l’auto aldolisation de la 5-hexen-2-one, plutôt que le produit attendu d’addition de l’alcool (Chapitre 3). La formation inattendue de la β-hydroxy cétone a également été observée en utilisant d’autres dérivés méthyl cétone. Étonnement dans la réaction intramoléculaire d’une tricétone, connue pour former la cétone Hajos-Parrish, le produit majoritaire est rarement la β-hydroxy cétone présentant la fonction alcool en position axiale. Intrigué par ces résultats et après l’étude systématique des conditions de réaction, nous avons développé deux nouvelles méthodes à travers la synthèse sélective et catalytique de β-hydroxy cétones spécifiques par cyclisation intramoléculaire avec des rendements élevés (Chapitre 4). La réaction peut être catalysée soit par une base adaptée et du bromure de lithium comme additif en passant par un état de transition coordonné au lithium, ou bien soit à l’aide d’un catalyseur TBD di fonctionnel, via un état de transition médiée par une coordination bidenté au TBD. Les mécanismes proposés ont été corroborés par calcul DFT. Ces réactions catalytiques ont également été appliquées à d’autres substrats comme les tricétones et les dicétones. Bien que les efforts préliminaires afin d’obtenir une enantioselectivité se sont révélés sans succès, la synthèse et la recherche de nouveaux catalyseurs chiraux sont en cours.

(Table 2) Trace metal ratios of various benthic foraminifera shells

Benthic foraminiferal d13C and Cd/Ca studies suggest that deep Atlantic circulation during the Last Glacial Maximum was very different from today, with high-nutrient (low d13C, high Cd) deep Southern Ocean Water (SOW) penetrating far into the North Atlantic. However, if some glacial d13C values are biased by productivity artifacts and/or air-sea exchange processes, then the existing d13C data may be consistent with the continual dominance of North Atlantic Deep Water (NADW). Cibicidoides wuellerstorfi Cd/Ca results presented here indicate that the glacial North Atlantic was strongly enriched in dissolved Cd below ~2500 m depth. If NADW formation was still vigorous relative to SOW formation, these data could be explained by either increased preformed nutrient levels in the high-latitude North Atlantic or by increased organic matter remineralization within lower NADW. High glacial Zn/Ca values in the same samples, however, are best explained by a substantially increased mixing with Zn-rich SOW. The cause was most likely a partial replacement of NADW by less dense Glacial North Atlantic Intermediate Water. This reorganization also lowered deep North Atlantic [CO3]2- concentrations by perhaps 10 to 15 µmol/kg.