Hydroxylation d’halogénures d’aryle utilisant la chimie en flux continu et développement d’une nouvelle méthodologie de synthèse de 3-aminoindazoles

L’attrait des compagnies pharmaceutiques pour des structures cycliques possédant des propriétés biologiques intéressantes par les compagnies pharmaceutiques a orienté les projets décrits dans ce mémoire. La synthèse rapide, efficace, verte et économique de ces structures suscite de plus en plus d’attention dans la littérature en raison des cibles biologiques visées qui deviennent de plus en plus complexes. Ce mémoire se divise en deux projets ciblant la synthèse de deux structures aromatiques importantes dans le monde de la chimie médicinale. Dans un premier temps, l’amélioration de la synthèse de dérivés phénoliques a été réalisée. L’apport de la chimie en flux continu dans le développement de voies synthétiques plus vertes et efficaces sera tout d’abord discuté. Ensuite, une revue des antécédents concernant l’hydroxylation d’halogénure d’aryle sera effectuée. Finalement, le développement d’une nouvelle approche rapide de synthèse des phénols utilisant la chimie en flux continu sera présenté, suivi d’un survol de ses avantages et ses limitations. Dans un deuxième temps, le développement d’une nouvelle méthodologie pour la formation de 3-aminoindazoles a été réalisé. Tout d’abord, un résumé de la littérature sur la synthèse de différents indazoles sera présenté. Ensuite, une présentation de deux méthodes efficaces d’activation de liens sera effectuée, soit l’activation d’amides par l’anhydride triflique et l’activation de liens C–H catalysée par des métaux de transition. Finalement, le développement d’une nouvelle méthodologie pour la synthèse de 3-aminoindazole utilisant ces deux approches sera discuté.

Visible-light-mediated synthesis of helicenes in batch and continuous flow systems

Le présent mémoire décrit le développement d’une méthode de synthèse des hélicènes catalysée par la lumière visible. Les conditions pour la formation de [5]hélicène ont été établies par une optimisation du photocatalyseur, du solvant, du système d’oxydation et du temps réactionnel. Suite aux études mécanistiques préliminaires, un mécanisme oxydatif est proposé. Les conditions optimisées ont été appliquées à la synthèse de [6]hélicènes pour laquelle la régiosélectivité a été améliorée en ajoutant des substituants sur la colonne hélicale. La synthèse de thiohélicènes a aussi été testée en utilisant les mêmes conditions sous irradiation par la lumière visible. La méthode a été inefficace pour la formation de benzodithiophènes et de naphtothiophènes, par contre elle permet la formation du phenanthro[3,4-b]thiophène avec un rendement acceptable. En prolongeant la surface-π de la colonne hélicale, le pyrène a été fusionné aux motifs de [4]- et [5]hélicène. Trois dérivés de pyrène-hélicène ont été synthétisés en utilisant les conditions optimisées pour la photocyclisation et leurs caractéristiques physiques ont été étudiées. La méthode de cyclisation sous l’action de la lumière visible a aussi été étudiée en flux continu. Une optimisation du montage expérimental ainsi que de la source lumineuse a été effectuée et les meilleures conditions ont été appliquées à la formation de [5]hélicène et des trois dérivés du pyrène-hélicène. Une amélioration ou conservation des rendements a été observée pour la plupart des produits formés en flux continu comparativement à la synthèse en batch. La concentration de la réaction a aussi été conservée et le temps réactionnel a été réduit par un facteur de dix toujours en comparaison avec la synthèse en batch.

Réaction de photocyclodéshydrogénation par catalyse photorédox

Cette thèse présente une nouvelle méthode pour accomplir la réaction de Mallory en utilisant la lumière visible. Pour atteindre ce but, la chimie photorédox qui s'est développée ces dernières années permettra une utilisation efficace de la lumière visible. De plus, la chimie en flux continu sera utilisé afin d'augmenter la surface irradiée du mélange réactionnel. Au cours de ces travaux, une nouvelle méthodologie photochimique utilisant un photocatalyseur de cuivre avec la lumière visible a été efficace pour la synthèse du 5hélicène. Un mécanisme de désactivation oxydante est proposé pour cette réaction. Par ailleurs, cette nouvelle méthodologie a été utilisée pour la synthèse d'un dérivé du 5hélicène et d'un 4hélicène-pyrène hybride. Par la suite, la méthodologie photochimique utilisant un photocatalyseur de cuivre avec la lumière visible a servi à la synthèse de divers carbazoles substitués au niveau de l'azote par des groupements aryles et alkyles. Au cours de cette synthèse, la réaction a révélé un problème de régiosélectivité. Ce dernier a été étudié par la synthèse de nouvelles triarylamines. Finalement, il a été découvert que l'utilisation d'un photocatalyseur de fer peut remplacer le photocatalyseur de cuivre en utilisant l'oxygène comme oxydant pour la synthèse de 9-phénylcarbazole.

Development of a Phase Separation Strategy in Macrocyclization Reactions

La réaction de macrocyclisation est une transformation fondamentale en chimie organique de synthèse. Le principal défi associcé à la formation de macrocycles est la compétition inhérente avec la réaction d’oligomérisation qui mène à la formation de sousproduits indésirables. De plus, l’utilisation de conditions de dilutions élevées qui sont nécessaires afin d’obtenir une cyclisation “sélective”, sont souvent décourageantes pour les applications à l’échelle industrielle. Malgré cet intérêt pour les macrocycles, la recherche visant à développer des stratégies environnementalement bénignes, qui permettent d’utiliser des concentrations normales pour leur synthèse, sont encore rares. Cette thèse décrit le développement d’une nouvelle approche générale visant à améliorer l’efficacité des réactions de macrocyclisation en utilisant le contrôle des effets de dilution. Une stratégie de “séparation de phase” qui permet de réaliser des réactions à des concentrations plus élevées a été developpée. Elle se base sur un mélange de solvant aggrégé contrôlé par les propriétés du poly(éthylène glycol) (PEG). Des études de tension de surface, spectroscopie UV et tagging chimique ont été réalisées afin d’élucider le mécanisme de “séparation de phase”. Il est proposé que celui-ci fonctionne par diffusion lente du substrat organique vers la phase ou le catalyseur est actif. La nature du polymère co-solvant joue donc un rôle crutial dans le contrôle de l’aggrégation et de la catalyse La stratégie de “séparation de phase” a initiallement été étudiée en utilisant le couplage oxidatif d’alcynes de type Glaser-Hay co-catalysé par un complexe de cuivre et de nickel puis a été transposée à la chimie en flux continu. Elle fut ensuite appliquée à la cycloaddition d’alcynes et d’azotures catalysée par un complexe de cuivre en “batch” ainsi qu’en flux continu.

Posta a punt, automatització i validació d’una tècnica analítica per a la determinació de crom (VI) en continu mitjançant espectroscòpia d’absorció molecular

La determinació de Cr(VI) en l’aigua per espectroscòpia d’absorció molecular a la regió visible es realitza mitjançant una tècnica colorimètrica per reacció amb un reactiu cromogènic. El Cr(VI) reacciona amb la 1,5-Difenilcarbacida formant un complex de color vermell-violeta que absorbeix radiació a la longitud d’ona de 540 nm. Tradicionalment, la determinació de Cr(VI) per colorimetria es realitza de forma manual i discontínua, essent un mètode repetitiu i laboriós que té implícit un cost de mà d’obra i de temps considerable, tant pel que es refereix a la preparació de les mostres i dels patrons, com al propi acte de la mesura a l’aparell. Aquest projecte s’ha realitzat sota la idea que les determinacions de Cr(VI) per colorimetria, poden complir els requisits bàsics operacionals dels mètodes d’anàlisi de flux en continu. Partint d’aquesta base, s’ha desenvolupat un nou equip de mesura per realitzar les determinacions de Cr(VI) amb una presa de mostres automatitzada, i un règim de treball en continu. L’objectiu d’aquest projecte és la posta a punt, automatització, i validació de la tècnica d’anàlisi instrumental de determinació de crom (VI) en continu per espectroscòpia molecular visible

High-flux ceramic membranes with a nanomesh of metal oxide nanofibers

Traditional ceramic separation membranes, which are fabricated by applying colloidal suspensions of metal hydroxides to porous supports, tend to suffer from pinholes and cracks that seriously affect their quality. Other intrinsic problems for these membranes include dramatic losses of flux when the pore sizes are reduced to enhance selectivity and dead-end pores that make no contribution to filtration. In this work, we propose a new strategy for addressing these problems by constructing a hierarchically structured separation layer on a porous substrate using large titanate nanofibers and smaller boehmite nanofibers. The nanofibers are able to divide large voids into smaller ones without forming dead-end pores and with the minimum reduction of the total void volume. The separation layer of nanofibers has a porosity of over 70% of its volume, whereas the separation layer in conventional ceramic membranes has a porosity below 36% and inevitably includes dead-end pores that make no contribution to the flux. This radical change in membrane texture greatly enhances membrane performance. The resulting membranes were able to filter out 95.3% of 60-nm particles from a 0.01 wt % latex while maintaining a relatively high flux of between 800 and 1000 L/m2·h, under a low driving pressure (20 kPa). Such flow rates are orders of magnitude greater than those of conventional membranes with equal selectivity. Moreover, the flux was stable at approximately 800 L/m2·h with a selectivity of more than 95%, even after six repeated runs of filtration and calcination. Use of different supports, either porous glass or porous alumina, had no substantial effect on the performance of the membranes; thus, it is possible to construct the membranes from a variety of supports without compromising functionality. The Darcy equation satisfactorily describes the correlation between the filtration flux and the structural parameters of the new membranes. The assembly of nanofiber meshes to combine high flux with excellent selectivity is an exciting new direction in membrane fabrication.

Influence of biochars on flux of N2O and CO2 from Ferrosol

Biochars produced by slow pyrolysis of greenwaste (GW), poultry litter (PL), papermill waste (PS), and biosolids (BS) were shown to reduce N₂O emissions from an acidic Ferrosol. Similar reductions were observed for the untreated GW feedstock. Soil was amended with biochar or feedstock giving application rates of 1 and 5%. Following an initial incubation, nitrogen (N) was added at 165 kg/ha as urea. Microcosms were again incubated before being brought to 100% water-filled porosity and held at this water content for a further 47 days. The flooding phase accounted for the majority (<80%) of total N₂O emissions. The control soil released 3165 mg N₂O-N/m², or 15.1% of the available N as N₂O. Amendment with 1 and 5% GW feedstock significantly reduced emissions to 1470 and 636 mg N₂O-N/m², respectively. This was equivalent to 8.6 and 3.8% of applied N. The GW biochar produced at 350°C was least effective in reducing emissions, resulting in 1625 and 1705 mg N₂O-N/m² for 1 and 5% amendments. Amendment with BS biochar at 5% had the greatest impact, reducing emissions to 518 mg N₂O-N/m², or 2.2% of the applied N over the incubation period. Metabolic activity as measured by CO₂ production could not explain the differences in N₂O emissions between controls and amendments, nor could NH₄⁺ or NO₃^– concentrations in biochar-amended soils. A decrease in NH₄⁺ and NO₃^– following GW feedstock application is likely to have been responsible for reducing N₂O emissions from this amendment. Reduction in N₂O emissions from the biochar-amended soils was attributed to increased adsorption of NO₃^–. Small reductions are possible due to improved aeration and porosity leading to lower levels of denitrification and N₂O emissions. Alternatively, increased pH was observed, which can drive denitrification through to dinitrogen during soil flooding.

Viscous dissipation effects on natural convection from a vertical plate with uniform surface heat flux placed in a thermally stratified media

In the present study we investigate the effect of viscous dissipation on natural convection from a vertical plate placed in a thermally stratified environment. The reduced equations are integrated by employing the implicit finite difference scheme of Keller box method and obtained the effect of heat due to viscous dissipation on the local skin friction and local Nusselt number at various stratification levels, for fluids having Prandtl numbers of 10, 50, and 100. Solutions are also obtained using the perturbation technique for small values of viscous dissipation parameters $\xi$ and compared to the finite difference solutions for 0 · $\xi$ · 1. Effect of viscous dissipation and temperature stratification are also shown on the velocity and temperature distributions in the boundary layer region.

Prandtl number scaling of natural convection of an inclined flat plate due to uniform surface heat flux

A new scaling analysis has been performed for the unsteady natural convection boundary layer under a downward facing inclined plate with uniform heat flux. The development of the thermal or viscous boundary layers may be classified into three distinct stages including a start-up stage, a transitional stage and a steady stage, which can be clearly identified in the analytical as well as numerical results. Earlier scaling shows that the existing scaling laws of the boundary layer thickness, velocity and steady state time scale for the natural convection flow on a heated plate of uniform heat flux provide a very poor prediction of the Prandtl number dependency of the flow. However, those scalings performed very well with Rayleigh number and aspect ratio dependency. In this study, a new Prandtl number scaling has been developed using a triple-layer integral approach for Pr > 1. It is seen that in comparison to the direct numerical simulations, the new scaling performs considerably better than the previous scaling.

Scaling for the Prandtl number of the natural convection boundary layer of an inclined flat plate under uniform surface heat flux

An improved scaling analysis and direct numerical simulations are performed for the unsteady natural convection boundary layer adjacent to a downward facing inclined plate with uniform heat flux. The development of the thermal or viscous boundary layers may be classified into three distinct stages: a start-up stage, a transitional stage and a steady stage, which can be clearly identified in the analytical as well as the numerical results. Previous scaling shows that the existing scaling laws of the boundary layer thickness, velocity and steady state time scale for the natural convection flow on a heated plate of uniform heat flux provide a very poor prediction of the Prandtl number dependency of the flow. However, those scalings perform very well with Rayleigh number and aspect ratio dependency. In this study, a modified Prandtl number scaling is developed using a triple layer integral approach for Pr > 1. It is seen that in comparison to the direct numerical simulations, the modified scaling performs considerably better than the previous scaling.

Double diffusive magneto-convection fluid flow in a strong cross magnetic field with uniform surface heat and mass flux

In this study, magnetohydrodynamic natural convection boundary layer flow of an electrically conducting and viscous incompressible fluid along a heated vertical flat plate with uniform heat and mass flux in the presence of strong cross magnetic field has been investigated. For smooth integrations the boundary layer equations are transformed in to a convenient dimensionless form by using stream function formulation as well as the free variable formulation. The nonsimilar parabolic partial differential equations are integrated numerically for Pr ≪1 that is appropriate for liquid metals against the local Hartmann parameter ξ . Further, asymptotic solutions are obtained near the leading edge using regular perturbation method for smaller values of ξ . Solutions for values of ξ ≫ 1 are also obtained by employing the matched asymptotic technique. The results obtained for small, large and all ξ regimes are examined in terms of shear stress, τw, rate of heat transfer, qw, and rate of mass transfer, mw, for important physical parameter. Attention has been given to the influence of Schmidt number, Sc, buoyancy ratio parameter, N and local Hartmann parameter, ξ on velocity, temperature and concentration distributions and noted that velocity and temperature of the fluid achieve their asymptotic profiles for Sc ≥ 10:0.

Prandtl number scaling of the unsteady natural convection boundary layer adjacent to a vertical flat plate for Pr > 1 subject to ramp surface heat flux

It is found in the literature that the existing scaling results for the boundary layer thickness, velocity and steady state time for the natural convection flow over an evenly heated plate provide a very poor prediction of the Prandtl number dependency of the flow. However, those scalings provide a good prediction of two other governing parameters’ dependency, the Rayleigh number and the aspect ratio. Therefore, an improved scaling analysis using a triple-layer integral approach and direct numerical simulations have been performed for the natural convection boundary layer along a semi-infinite flat plate with uniform surface heat flux. This heat flux is a ramp function of time, where the temperature gradient on the surface increases with time up to some specific time and then remains constant. The growth of the boundary layer strongly depends on the ramp time. If the ramp time is sufficiently long, the boundary layer reaches a quasi steady mode before the growth of the temperature gradient is completed. In this mode, the thermal boundary layer at first grows in thickness and then contracts with increasing time. However, if the ramp time is sufficiently short, the boundary layer develops differently, but after the wall temperature gradient growth is completed, the boundary layer develops as though the startup had been instantaneous.