Direct functionalization of heterocyclic and non-heterocyclic arenes

L’application des métaux de transition à la fonctionnalisation directe a ouvert la voie à une nouvelle classe de réactions pour la formation de liens carbone-carbone. De par l'omniprésence des liaisons C–H, l’introduction de nouvelles fonctionnalités chimiques par voie directe et pré-activation minimale s’impose comme une stratégie de synthèse très attrayante. Ainsi, il est envisageable de préparer de manière rapide et efficace des supports complexes menant à des molécules complexes, qui pourraient être utiles dans divers domaines de la chimie. L'objectif principal de la présente thèse vise la fonctionnalisation directe des arènes hétérocycliques et non hétérocycliques et, plus précisément, les techniques d’arylation. Dans un premier temps, nous allons aborder le thème de l’arylation directe tout en mettant l’accent sur les pyridines (Chapitre 1). Ces molécules sont à la base d'une multitude de composés biologiquement actifs et jouent un rôle important dans le domaine des sciences des matériaux, de l’agrochimie et de la synthèse des produits naturels. Dans un deuxième temps, nous discuterons de nos travaux sur l’arylation directe catalysé par un complex de palladium sur des ylures de N-iminopyridinium en soulignant la dérivatisation du sel de pyridinium après une phénylation sp2 (Chapitre 2). L’étude de ce procédé nous a permis de mettre en lumière plusieurs découvertes importantes, que nous expliquerons en détails une à une : l’arylation benzylique directe lorsque des ylures N-iminopyridinium substituées avec un groupement alkyl à la position 2 sont utilisés comme partenaires dans la réaction; les allylations Tsuji-Trost catalysée par un complex de palladium; et l’alkylation directe et sans métal via une catalyse par transfert de phase. Plusieurs défis restent à relever pour le développement de procédés directs utilisant des métaux de transition peu coûteux, d’autant plus que la synthèse par transformation directe des pyridines 2-alcényles, lesquelles sont pertinentes sur le plan pharmacologique, n’a pas encore été rapportée à ce jour. Avec cette problématique en tête, nous avons réussi à mettre au point une alcénylation directe catalysé par un complex de cuivre sur des ylures de N-iminopyridinium. Nous discuterons également d’une nouvelle méthode pour la préparation des iodures de vinyle utilisés dans les couplages. Ces réactions sont non seulement remarquablement chimiosélectives, mais sont aussi applicables à plusieurs substrats (Chapitre 3). En optimisant ce procédé direct, nous avons découvert une façon unique de synthétiser les pyrazolo[1,5-a]pyridines 2-substituées (Chapitre 4). Le mécanisme global met en jeu une séquence tandem de fonctionnalisation-cyclisation directe et un procédé direct en cascade, qui n’avais jamais été rapporté. Cela simplifie ansi la synthèse autrement compliquée de ces substrats en y apportant une solution à un problème de longue date. Dans les deux derniers chapitres, nous examinerons en détail les techniques d’arylation directe qui n'impliquent pas les partenaires de couplage hétérocycliques. Entre autres, au Chapitre 5, nous soulignerons notre découverte d’un umpolung dirigé et catalysé par un complexe de palladium du benzène et de quelques autres dérivés arènes. Il s’agit là du premier cas de fonctionnalisation directe dans laquelle le groupe directeur se trouve sur le partenaire halogène et il s’ajoute à la courte liste d’exemples connus dans la littérature rapportant une arylation directe du benzène. Finalement, au Chapitre 6, nous passerons en revue une nouvelle arylation directe catalysée au fer, qui se veut un procédé peu coûteux, durable et présentant une économie d’atomes. Nous discutons des substrats possibles ainsi des études mécanistiques réalisés.

Intramolecular Direct Functionalization of Cyclopropanes via Silver-Mediated, Palladium Catalysis

Au cours de la dernière décennie, le domaine de la fonctionnalisation directe des liens C–H a connu un intérêt croissant, en raison de la demande de processus chimiques moins dispendieux, plus efficaces et plus écologiques. . Les cyclopropanes représentent un motif structural souvent retrouvé dans des agents biologiquement actifs importants et dans des intermédiaires de synthèse permettant l'accès à des architectures complexes. Malgré leur valeur intrinsèque, la fonctionnalisation directe des cyclopropanes n’a pas été largement explorée. Ce mémoire traitera de deux méthodologies liées, mais tout aussi différentes, impliquant la fonctionnalisation directe des liens C–H cyclopropaniques impliquant des réactions intramoléculaires catalysées par un complex de palladium et assistées par l’argent. Le premier chapitre présentera d’abord un bref survol de la littérature sur les fondements de la fonctionnalisation directe ainsi que les contributions majeures réalisées dans ce domaine. L’accent sera notamment mis sur la fonctionnalisation des centres sp3 et sera souligné par des exemples pertinents. Les découvertes clés concernant le mécanisme et les cycles catalytiques de ces processus seront discutées. Le second chapitre décrira comment les 2-bromoanilides peuvent être utilisés pour accéder à des motifs particuliers de type spiro 3,3’ oxindoles cyclopropyliques. L'optimisation et l’étendue de la réaction seront abordés, suivis par des études mécanistiques réfutant l’hypothèse de la formation d’un intermédiaire palladium-énolate. Ces études mécanistiques comprennent une étude cinétique de l'effet isotopique ainsi que des études sur épimérisation; celles-ci ont confirmé que la réaction se produit par arylation directe. Sur la base des résultats obtenus dans le deuxième chapitre, nous aborderons ensuite la fonctionnalisation directe des benzamides cyclopropyliques lesquels, après une ouverture de cycle, donneront de nouveaux produits benzo [c] azépine-1-ones (chapitre trois). Après avoir présenté une brève optimisation et l’étendue de la réaction, nous discuterons des études mécanistiques impliquées à déduire l'ordre des événements dans le cycle catalytique et à déterminer le rôle des réactifs. Celles-ci permetteront de conclure que la fonctionnalisation de l’unité cyclopropyle se produit avant l’ouverture de cycle et que l'acétate est responsable de la déprotonation-métalation concertée. Le dernier chapitre (chapitre quatre) traitera en rétrospective de ce qui a été appris à partir de deux méthodologies divergentes et connexes et de comment ces résultats peuvent être exploités pour explorer d’autres types de fonctionnalisations directes sur des cyclopropanes.

Carbon-carbon bond formation : from transition metal catalysis to base-promoted homolytic aromatic substitution

Cette thèse de doctorat porte sur la catalyse à partir de métaux de transition et sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base visant à former de nouvelles liaisons C–C, et à ainsi concevoir de nouvelles structures chimiques. Au cours des vingt dernières années, des nombreux efforts ont été réalisés afin de développer des méthodologies pour la fonctionnalisation de liens C–H, qui soient efficaces et sélectives, et ce à faible coût et en produisant le minimum de déchets. Le chapitre d'introduction donnera un aperçu de la fonctionnalisation directe de liens C–H sur des centres sp2 et sp3. Il sera également discuté dans cette partie de certains aspects de la chimie radicalaire reliés a ce sujet. Les travaux sur la fonctionnalisation d’imidazo[1,5-a]pyridines catalysée par des compleces de ruthénium seront présentés dans le chapitre 2. Malgré l'intérêt des imidazo[1,5-a]azines en chimie médicinale, ces composés n’ont reçu que peu d'attention dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C–H. L'étendue de la réaction et l'influence des effets stériques et électroniques seront détaillés. Les cyclopropanes représentent les 10ème cycles carbonés les plus rencontrés dans les petites molécules d’intérêt pharmacologique. Ce sont aussi des intermédiaires de synthèse de choix pour la création de complexité chimique. Malgré de grands progrès dans le domaine de la fonctionnalisation de liens C(sp3)–H, l'étude des cyclopropanes comme substrats dans les transformations directes est relativement nouvelle. Le chapitre trois présentera l'arylation intramoléculaire directe de cyclopropanes. Cette réaction est réalisée en présence de palladium, en quantité catalytique, en combinaison avec des sels d’argent. Des études mécanistiques ont réfuté la formation d'un énolate de palladium et suggéreraient plutôt une étape de métallation - déprotonation concertée. En outre, les cycles de type benzoazepinone à sept chaînons ont été synthétisés par l'intermédiaire d'une séquence d'activation de cyclopropane/ouverture/cyclisation. Une arylation directe intermoléculaire des cyclopropanes a été réalisée en présence d'un auxiliaire de type picolinamide (Chapitre 4). Les deux derniers chapitres de ce mémoire de thèse décriront nos études sur la substitution homolytique aromatique favorisée par une base. Le mécanisme de la réaction de cyclisation intramoléculaire d'halogénures d'aryle, réalisée en présence de tert-butylate de potassium, a été élucidé et se produit via une voie radicalaire (Chapitre 5). La transformation, exempte de métaux de transition, ne nécessite que la présence d’une base et de pyridine comme solvant. Cette réaction radicalaire a été étendue à la cyclisation d'iodures d'alkyle non activés en présence d'un catalyseur à base de nickel et de bis(trimethylsilyl)amidure de sodium comme base (Chapitre 6). Des études de RMN DOSY ont démontré une association entre le catalyseur, la base et le matériel de départ.

Atomic force microscopy assisted with electron and ion beam microscopy for the direct measurement of biostructures and DNA samples

Dissertation to obtain a Master degree in Biotechnology

Biochemical and physical surface functionalization of polycaprolactone as a key mediator of osteogenic differentiation and vascularized tissue morphogenesis

Tese de Doutoramento em Engenharia de Tecidos, Medicina Regenerativa e Células Estaminais.

Functionalization of microstructured open-porous bioceramic scaffolds with human fetal bone cells.

Bone substitute materials allowing trans-scaffold migration and in-scaffold survival of human bone-derived cells are mandatory for development of cell-engineered permanent implants to repair bone defects. In this study, we evaluated the influence on human bone-derived cells of the material composition and microstructure of foam scaffolds of calcium aluminate. The scaffolds were prepared using a direct foaming method allowing wide-range tailoring of the microstructure for pore size and pore openings. Human fetal osteoblasts (osteo-progenitors) attached to the scaffolds, migrated across the entire bioceramic depending on the scaffold pore size, colonized, and survived in the porous material for at least 6 weeks. The long-term biocompatibility of the scaffold material for human bone-derived cells was evidenced by in-scaffold determination of cell metabolic activity using a modified MTT assay, a repeated WST-1 assay, and scanning electron microscopy. Finally, we demonstrated that the osteo-progenitors can be covalently bound to the scaffolds using biocompatible click chemistry, thus enhancing the rapid adhesion of the cells to the scaffolds. Therefore, the different microstructures of the foams influenced the migratory potential of the cells, but not cell viability. Scaffolds allow covalent biocompatible chemical binding of the cells to the materials, either localized or widespread integration of the scaffolds for cell-engineered implants.

Development of a heavy metal sorption system through the P=S functionalization of coconut (Cocos nucifera) fibers

Lignocellulosic residues are interesting materials for the production of heavy metal adsorbents for aquatic systems. Whole fibers taken from coconut (Cocos nucifera) husks were functionalized with the thiophosphoryl (P=S) group by means of the direct reaction with CI(3)P=S, (CH(3)O)(2)CIP=S or (CH(3)CH(2)O)(2)CIP=S in order to obtain an adsorptive system for `soft` metal ions, particularly Cd(2+). These functionalized fibers (FFs) were characterized by means of elemental analysis, infrared spectroscopy, thermal analysis and acid-base titration. Adsorption isotherms for Cd(2+) fitted the Langmuir model, with binding capacities of 0.2-5 mmol g(-1) of FF at 25 degrees C. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Direct C–H silylation and borylation of biomass derivatives by iridium heterogeneous catalysts

Furfural and its derivatives represent renewable and readily available platforms for a wide range of chemicals. Much attention has been devoted to their functionalization over the last years. TM-catalysed C–H activation has emerged as a powerful tool for synthesizing new C–C and C–X bonds. Moreover, it provides a sustainable way to obtain molecules by reducing waste and saving steps. At the same time, iridium catalysts have proven to be very active in some C–H functionalizations of several (hetero)arenes. Although very promising, this technique is still poorly applied on an industrial scale due to the severe conditions required. Continuous flow chemistry using heterogeneous catalysts appears to be a valuable way to overcome these problems. In this work, we present different solutions for the immobilization of homogeneous iridium complexes on silica gels, using bidentate amines and phosphines as anchoring ligands. We successfully employed the catalysts in C–H silylation and borylation of furfural, using C2 located directing group. In this way, we finally obtained a suitable catalyst that could be potentially applied in continuous-flow chemistry.

Direct Visualization Of The Action Of Triton X-100 On Giant Vesicles Of Erythrocyte Membrane Lipids.

The raft hypothesis proposes that microdomains enriched in sphingolipids, cholesterol, and specific proteins are transiently formed to accomplish important cellular tasks. Equivocally, detergent-resistant membranes were initially assumed to be identical to membrane rafts, because of similarities between their compositions. In fact, the impact of detergents in membrane organization is still controversial. Here, we use phase contrast and fluorescence microscopy to observe giant unilamellar vesicles (GUVs) made of erythrocyte membrane lipids (erythro-GUVs) when exposed to the detergent Triton X-100 (TX-100). We clearly show that TX-100 has a restructuring action on biomembranes. Contact with TX-100 readily induces domain formation on the previously homogeneous membrane of erythro-GUVs at physiological and room temperatures. The shape and dynamics of the formed domains point to liquid-ordered/liquid-disordered (Lo/Ld) phase separation, typically found in raft-like ternary lipid mixtures. The Ld domains are then separated from the original vesicle and completely solubilized by TX-100. The insoluble vesicle left, in the Lo phase, represents around 2/3 of the original vesicle surface at room temperature and decreases to almost 1/2 at physiological temperature. This chain of events could be entirely reproduced with biomimetic GUVs of a simple ternary lipid mixture, 2:1:2 POPC/SM/chol (phosphatidylcholine/sphyngomyelin/cholesterol), showing that this behavior will arise because of fundamental physicochemical properties of simple lipid mixtures. This work provides direct visualization of TX-100-induced domain formation followed by selective (Ld phase) solubilization in a model system with a complex biological lipid composition.

Direct Adhesive Pin-retained Restorations For Severely Worn Dentition Treatment: A 1.5-year Follow-up Report.

Excessive occlusal surface wear can result in occlusal disharmony, functional and esthetic impairment. As a therapeutic approach, conventional single crowns have been proposed, but this kind of treatment is complex, highly invasive and expensive. This case report describes the clinical outcomes of an alternative minimally invasive treatment based on direct adhesive-pin retained restorations. A 64-year-old woman with severely worn dentition, eating problems related to missing teeth and generalized tooth hypersensitivity was referred for treatment. Proper treatment planning based on the diagnostic wax-up simulation was used to guide the reconstruction of maxillary anterior teeth with direct composite resin over self-threading dentin pins. As the mandibular remaining teeth were extremely worn, a tooth-supported overdenture was installed. A stabilization splint was also used to protect the restorations. This treatment was a less expensive alternative to full-mouth rehabilitation with positive esthetic and functional outcomes after 1.5 years of follow-up.

Direct And Non-destructive Proof Of Authenticity For The 2nd Generation Of Brazilian Real Banknotes Via Easy Ambient Sonic Spray Ionization Mass Spectrometry.

Using a desorption/ionization technique, easy ambient sonic-spray ionization coupled to mass spectrometry (EASI-MS), documents related to the 2nd generation of Brazilian Real currency (R$) were screened in the positive ion mode for authenticity based on chemical profiles obtained directly from the banknote surface. Characteristic profiles were observed for authentic, seized suspect counterfeit and counterfeited homemade banknotes from inkjet and laserjet printers. The chemicals in the authentic banknotes' surface were detected via a few minor sets of ions, namely from the plasticizers bis(2-ethylhexyl)phthalate (DEHP) and dibutyl phthalate (DBP), most likely related to the official offset printing process, and other common quaternary ammonium cations, presenting a similar chemical profile to 1st-generation R$. The seized suspect counterfeit banknotes, however, displayed abundant diagnostic ions in the m/z 400-800 range due to the presence of oligomers. High-accuracy FT-ICR MS analysis enabled molecular formula assignment for each ion. The ions were separated by 44 m/z, which enabled their characterization as Surfynol® 4XX (S4XX, XX=40, 65, and 85), wherein increasing XX values indicate increasing amounts of ethoxylation on a backbone of 2,4,7,9-tetramethyl-5-decyne-4,7-diol (Surfynol® 104). Sodiated triethylene glycol monobutyl ether (TBG) of m/z 229 (C10H22O4Na) was also identified in the seized counterfeit banknotes via EASI(+) FT-ICR MS. Surfynol® and TBG are constituents of inks used for inkjet printing.

Graphene Oxide: A Carrier For Pharmaceuticals And A Scaffold For Cell Interactions.

During the last ten years, graphene oxide has been explored in many applications due to its remarkable electroconductivity, thermal properties and mobility of charge carriers, among other properties. As discussed in this review, the literature suggests that a total characterization of graphene oxide must be conducted because oxidation debris (synthesis impurities) present in the graphene oxides could act as a graphene oxide surfactant, stabilizing aqueous dispersions. It is also important to note that the structure models of graphene oxide need to be revisited because of significant implications for its chemical composition and its direct covalent functionalization. Another aspect that is discussed is the need to consider graphene oxide surface chemistry. The hemolysis assay is recommended as a reliable test for the preliminary assessment of graphene oxide toxicity, biocompatibility and cell membrane interaction. More recently, graphene oxide has been extensively explored for drug delivery applications. An important increase in research efforts in this emerging field is clearly represented by the hundreds of related publications per year, including some reviews. Many studies have been performed to explore the graphene oxide properties that enable it to deliver more than one activity simultaneously and to combine multidrug systems with photothermal therapy, indicating that graphene oxide is an attractive tool to overcome hurdles in cancer therapies. Some strategic aspects of the application of these materials in cancer treatment are also discussed. In vitro studies have indicated that graphene oxide can also promote stem cell adhesion, growth and differentiation, and this review discusses the recent and pertinent findings regarding graphene oxide as a valuable nanomaterial for stem cell research in medicine. The protein corona is a key concept in nanomedicine and nanotoxicology because it provides a biomolecular identity for nanomaterials in a biological environment. Understanding protein corona-nanomaterial interactions and their influence on cellular responses is a challenging task at the nanobiointerface. New aspects and developments in this area are discussed.

Fast And Direct Na And K Determination In Table, Marine, And Low-sodium Salts By X-ray Fluorescence And Chemometrics.

X-ray fluorescence (XRF) is a fast, low-cost, nondestructive, and truly multielement analytical technique. The objectives of this study are to quantify the amount of Na(+) and K(+) in samples of table salt (refined, marine, and light) and to compare three different methodologies of quantification using XRF. A fundamental parameter method revealed difficulties in quantifying accurately lighter elements (Z < 22). A univariate methodology based on peak area calibration is an attractive alternative, even though additional steps of data manipulation might consume some time. Quantifications were performed with good correlations for both Na (r = 0.974) and K (r = 0.992). A partial least-squares (PLS) regression method with five latent variables was very fast. Na(+) quantifications provided calibration errors lower than 16% and a correlation of 0.995. Of great concern was the observation of high Na(+) levels in low-sodium salts. The presented application may be performed in a fast and multielement fashion, in accordance with Green Chemistry specifications.

Effect of staining solutions and repolishing on color stability of direct composites

OBJECTIVES: The purpose of this study was to assess the color change of three types of composite resins exposed to coffee and cola drink, and the effect of repolishing on the color stability of these composites after staining. MATERIALS AND METHODS: Fifteen specimens (15 mm diameter and 2 mm thick) were fabricated from microhybrid (Esthet-X; Dentsply and Filtek Z-250; 3M ESPE) and high-density hybrid (Surefil; Dentsply) composites, and were finished and polished with aluminum oxide discs (Sof-Lex; 3M ESPE). Color of the specimens was measured according to the CIE L*a*b* system in a refection spectrophotometer (PCB 6807; BYK Gardner). After baseline color measurements, 5 specimens of each resin were immersed in different staining solutions for 15 days: G1 - distilled water (control), G2 - coffee, G3 - cola soft drink. Afterwards, new color measurement was performed and the specimens were repolished and submitted to new color reading. Color stability was determined by the difference (ΔE) between the coordinates L*, a*, and b* obtained from the specimens before and after immersion into the solutions and after repolishing. RESULTS: There was no statistically signifcant difference (ANOVA, Tukey's test; p>0.05) among the ΔE values for the different types of composites after staining or repolishing. For all composite resins, coffee promoted more color change (ΔE>3.3) than distilled water and the cola soft drink. After repolishing, the ΔE values of the specimens immersed in coffee decreased to clinically acceptable values (ΔE<3.3), but remained signifcantly higher than those of the other groups. CONCLUSIONS: No signifcant difference was found among composite resins or between color values before and after repolishing of specimens immersed in distilled water and cola. Immersing specimens in coffee caused greater color change in all types of composite resins tested in this study and repolishing contributed to decrease staining to clinically acceptable ΔE values.

Heat treatment of a direct composite resin: influence on flexural strength

The purpose of this study was to evaluate the flexural strength of a direct composite, for indirect application, that received heat treatment, with or without investment. One indirect composite was used for comparison. For determination of the heat treatment temperature, thermogravimetric analysis (TGA) and differential scanning calorimetry (DSC) were performed, considering the initial weight loss temperature and glass transition temperature (Tg). Then, after photoactivation (600 mW/cm² - 40 s), the specimens (10 x 2 x 2 mm) were heat-treated following these conditions: 170ºC for 5, 10 or 15 min, embedded or not embedded in investment. Flexural strength was assessed as a means to evaluate the influence of different heat treatment periods and investment embedding on mechanical properties. The data were analyzed by ANOVA and Tukey's test (α = 0.05). TGA showed an initial weight loss temperature of 180ºC and DSC showed a Tg value of 157°C. Heat treatment was conducted in an oven (Flli Manfredi, Italy), after 37°C storage for 48 h. Flexural strength was evaluated after 120 h at 37°C storage. The results showed that different periods and investment embedding presented similar statistical values. Nevertheless, the direct composite resin with treatments presented higher values (178.7 MPa) compared to the indirect composite resin (146.0 MPa) and the same direct composite submitted to photoactivation only (151.7 MPa). Within the limitations of this study, it could be concluded that the heat treatment increased the flexural strength of the direct composite studied, leading to higher mechanical strength compared to the indirect composite.