A review of the chemistry of poly(lactic acid) was carried out with a focus on techniques and applications of PLA polymer and copolymers with reference to some of the work that has been accomplished over the last 20 years or so. A review of the characterisation techniques used to analyse PLA polymers and copolymers was also carried out giving reference to the equipment and methods used herein. An investigation into the potential of PLA as the hydrophilic portion of a polymeric surfactant was carried out. To develop PLA based surfactants, the ring opening polymerisation of lactide was carried out in a melt in the presence of a long chain alcohol (C₇ to C₂₀) or diol (C₄ & C₆) to produce AB or ABA type polymers that follow the traditional surfactant template. Stannous octanoate and 4-dimethylaminopyridine were typically used as catalysts due to their high activity and relative cheapness. PLA only shows good hydrophilicity with up to 12 lactic acid units in the chain. Above this the electrostatic interactions between polymer chains reduced water solubility. It was also noted that D,L-lactide produced more water soluble polymers (syndiotactic) than the enantiomerically pure L-lactide (isotactic polymer chains). An investigation of the hydrophobic properties of PLA was carried out to evaluate their usefulness for other biodegradable surfactant applications. To this end an investigation of sugars as the hydrophilic portion of the molecule was carried out. Due to problems with solubilising sugars, they were deemed unsuitable for use as initiatiors within the scope of this research. Choline chloride was then investigated as a potential hydrophilic initiator and indeed has produced some of the most water soluble of PLA polymers. Choline chloride presented several challenges as an initiator, its high melting point resulted in polar solvents such as t-butanol being employed. Alternatively, more success was achieved by preparation of a choline chloride eutectic mixture prior to the polymerisation. It was discovered that a choline chloride/urea eutectic mixture was capable of self initiation, thus required no further addition of catalyst, this result shows a potential step forward in PLA green chemistry. A final investigation into producing surface-active PLA in a one-pot process that required only a hydroxycarboxylate initiator was carried out. The production of PLA sodium or potassium salts was carried out in a melt polymerisation and the results show some promise. Initiators that have been employed include a range of a, b and g-hydroxycarboxylic acids. These work through tautomerisation to the alkoxide, which then initiates a living type polymerisation of lactide to produce surface-active polymers. As well as the synthesis of these polymers some analysis of the physical and aqueous properties of these materials was carried out. PLA sodium salts were shown to have reasonable surfactant ability (~45 mNm⁻¹) and low CMC values of around 5x10⁻⁹ mol cm⁻³. They were also shown to have some properties as emulsifiers, and in some cases showed non-Newtonian fluid behaviour such as shear-thinning (thixotropy) and shear-thickening (dilatant). The thermal characteristics of the polymers such as T[subscript]g and stability were assessed as well as their ability to retain water.

A l’heure actuelle, la réduction de l’impact environnemental de l’industrie chimique est un enjeu majeur. Pour parvenir à ce but, le concept de Chimie Verte, né dans les années 90, cherche à promouvoir les réactions catalysées et notamment l’utilisation de catalyseurs hétérogènes. L’objectif de cette thèse a été d’utiliser des zéolithes, aluminosilicates microporeux, dopées avec un métal, pour des applications en synthèse organique, et notamment dans une synthèse multi-étapes. Ce type de catalyseur hétérogène est intéressant car il est potentiellement recyclable, facile à séparer du milieu réactionnel et stable.Afin d’atteindre notre objectif, la synthèse totale de l’acortatarine A a été effectuée en utilisant lors d’une étape, une zéolithe dopée avec du cuivre pour former un N-alcynylpyrrole et lors d’une autre étape, une zéolithe dopée avec de l’argent pour effectuer une spirocétalisation. Dans un premier temps, les méthodologies liées à ces deux réactions ont été étudiées puis dans un second temps, en se basant sur les connaissances acquises, la synthèse totale de l’acortatarine A a été effectuée avec succès. Il est à noter que lors de cette synthèse, deux étapes additionnelles ont été réalisées avec des zéolithes acides. A travers cette synthèse nous avons montré que les zéolithes dopées avec des métaux qui entrent pleinement dans le cadre de la Chimie Verte, peuvent être des outils très attractifs dans les synthèses multi-étapes. / Nowadays, reduction of the environmental impact of the chemical industry is a major challenge. To reach this goal, Green Chemistry was born in the 90s where catalysis plays an essential role especially with heterogenous catalysts. The aim of this PhD thesis was to use a support (zeolite) doped with a transition metal in organic synthesis and more specifically in a multi-step synthesis. These heterogeneous catalysts are interesting because they are potentially recyclable, easy to separate from reaction medium and stable. In order to reach our goal, we have performed the total synthesis of acortatarin A performing a step with a copper doped zeolite to form a N-alcynylpyrrole and in another step, a silver doped zeolite was used in a spiroketalization. The methodology linked to these two steps was firstly studied and then gained knowledge was successfully applied in the total synthesis of acortatarin A. Moreover, two additional steps were carried out with acidic zeolites during the synthesis. Through this total synthesis, we have demonstrated that metal-doped zeolites can be very attractiveto perform multi-step synthesis.

Les tensioactifs sont des produits chimiques largement utilisés dans le monde. Dans un contexte de développement durable, il est important de développer selon les principes de la chimie verte de nouvelles molécules amphiphiles issues de substances naturelles renouvelables. L'association d'un acide aminé ou d'un peptide et d'un composé à longue chaîne permet l'obtention de molécules ayant une activité de surface élevée. Nous avons étudié et développé de nouveaux mélanges de tensioactifs obtenus à partir de protéines de pois. Dans une première étape, les protéines sont hydrolysées par l'Alcalase et la Flavourzyme à 50°C, pH 7,5, durant 30 min, afin d'obtenir des peptides de 3 à 5 acides aminés en moyenne qui constituent la partie hydrophile des tensioactifs. Puis, dans l'eau, la partie lipophile en C12 est greffée sur les fonctions amines libres avec un taux de 83% par une acylation de Schotten-Baumann, préalablement mise au point sur des acides aminés modèles. La CMC des formulations anioniques obtenues atteint 75 mg/L avec une TS de 28,4 mN/m (en comparaison aux 240 mg/L et 39,1 mN/m pour le SDS) ce qui leur confère des propriétés moussantes et émulsifiantes comparables voir supérieures aux tensioactifs pétrochimiques commerciaux. Enfin, ces mélanges sont cationisés par estérification des fonctions carboxylates à l'aide du chlorure de glycidyltriméthylammonium augmentant ainsi leur potentiel zêta de +70 mV. Les formulations ont alors des CMC de 90 mg/L et des TS de 32 mN/m. Les deux nouvelles familles de tensioactifs naturels synthétisées présentent d'excellentes propriétés ce qui permet d'envisager leur utilisation comme une alternative « verte » dans de nombreux secteurs d'application. / The surfactants are chemical products widely used in the world. Within a context of sustainable development, it is important to develop, following the principles of green chemistry, new amphiphilic molecules from natural renewable materials. The association of an amino acid and a long chain compound allows obtaining molecules with a high surface activity. We studied and developed new mixtures of surfactants obtained from pea proteins. In a first step, proteins are hydrolyzed by Alcalase and Flavourzyme at 50°C, pH 7.5, during 30 min, to obtain peptides with an average of 3 to 5 amino acids that constitute the hydrophilic part of surfactants. Then, the lipophilic part with 12 carbons is grafted on the free amine functions with a rate of 83% by a Schotten-Baumann reaction, in water. This reaction was developed with amino acids as a model. The CMC of the anionic formulations obtained reaches 75 mg/L with a ST of 28,4 mN/m (in comparison to 240 mg/L and 39.1 mN/m for the SDS) that gives foaming and emulsifying properties comparable or even better than petrochemical commercial surfactants. Finally, these mixtures are cationized by esterification of carboxylate functions with the glycidyltrimethylammonium chloride thus increasing their zeta potential of +70 mV. The formulations have a CMC of 90 mg/L and a ST of 32 mN/m. Both synthesized new families of natural surfactants present excellent properties which permit to consider their use as a “green” alternative in numerous applications.

L'épuisement progressif des matières premières d'origine fossile et la nécessité de réduire les émissions de gaz à effets de serre ont conduit la communauté scientifique à rechercher de nouveaux matériaux dont la production ne dépendra pas de ressources non renouvelables. Dans un autre temps ces matériaux pourront déjà être introduits sur le marché afin de substituer des produits déjà existant qui proviennent de matières premières fossiles. Par exemple, l'acide 2,5-furandicarboxylique (FDCA) obtenu par valorisation de la biomasse lignocellulosique est un potentiel substituant de l'acide téréphtalique actuellement utilisé pour la production de polyesters. En effet, le FDCA peut être obtenu par oxydation sélective du 5-hydroxyméthylfurfural (HMF) synthétisé à partir de la biomasse lignocellulosique. Ainsi, ce travail de thèse peut être défini par deux problématiques principales : (1) Le développement de catalyseurs pour l'oxydation de HMF en FDCA sans utiliser de bases inorganiques et (2) Développement de membranes catalytiques de polymères pour la future adaptation du procédé d'oxydation en réacteur à flux continu. Pour ce qui concerne l'oxydation de HMF dans des conditions neutres, une première étude s'est intéressée à la possibilité d'utiliser de l'oxyde de nickel nanométrique comme support pour des nanoparticules. Ensuite, la possibilité d'utiliser des nanoparticules de Pt supportées sur du TiO2 obtenues par décomposition contrôlée de clusters carbonyliques a été étudiée. Ainsi, des membranes de polymère obtenues par électrospinning, contenant les nanoparticules métalliques étudiées précédemment, ont été appliquées comme système catalytique pour l'oxydation du HMF / The depletion of fossil-derived resources and the need to decrease the emission of green-house gases led scientists to look for sustainable materials to replace the already existing fossil-derived ones. For instance, 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA) has been pointed out as the bioderived counterpart of terephthalic acid for the synthesis of polyesters. In fact, FDCA could be obtained by means of selective oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a bio-derived platform molecule produced by glucose hydrolysis. This reaction is known to be catalyzed by supported metal nanoparticle systems in presence of inorganic bases under batch conditions. This work deals with the development of catalytic systems able to perform the base-free HMF oxidation, since the possibility to circumvent base addition leads more sustainable processes. In particular, two different sets of catalytic systems have been studied: mono- and bimetallic Au and Pd nanoparticles on nano-sized NiO, and mono- and bimetallic Pt/Sn systems on titania, prepared via cluster precursor decomposition. Another topic that will be discussed in this thesis focuses on the development of catalytically active polymeric membranes obtained via electrospinning and their application as catalytic system for HMF oxidation either under basic and neutral aqueous conditions. In details, polyacrylonitrile and nylon have been tested as electrospun polymeric matrixes for the embedding of Au-based nanoparticles and Pt clusters

Le déclin de la production de pétrole, lié avec la diminution des matières premières carbonées pour la synthèse chimique ont mené les scientifiques à chercher de nouvelles sources de carbone pour l'industrie chimique. L'utilisation du dioxyde de carbone aiderait à réduire les émissions de gaz à effet de serre tout en fournissant une matière première renouvelable à base de bloc moléculaire en C1. En renversant les équilibres biologiques de trois déshydrogénases, nous avons effectué la biosynthèse multienzymatique en cascade du méthanol à partir de CO2 en utilisant la formiate déshydrogénase de Candida boidinii, la formaldéhyde déshydrogénase de Pseudomonas putida et l'alcool déshydrogénase de Saccacharomyces cerevisiae. Nous avons optimisé le système en ajustant les conditions catalytiques et la quantité relative de chaque déshydrogénase. La phosphite déshydrogénase de Pseudomonas stutzeri a été également choisi comme système de régénération du cofacteur nicotinamide adénine dinucléotide réduit (NADH) parmi 4 systèmes de régénération étudiés. L'ensemble du système a été encapsulé dans des nanocapsules poreuses de silice qui a permis d'augmenter 15 fois les productivités en méthanol. Nous avons montré que les dernières limitations rencontrées, comme la disponibilité du CO2 et l'accumulation du méthanol, peuvent être dépassées en mettant en place un système catalytique en flux continu en phase gaz. / The decline of oil production, linked with the decrease of carbon feedstock for chemical synthesis leads scientist to find new sources of carbon for the chemical industry. Use of carbon dioxide would help to reduce the greenhouse gas emissions while providing a renewable feedstock of C1 molecular building blocks. By reversing the biological metabolic reaction pathway of three dehydrogenase, we carried out multistep multienzyme biosynthesis of methanol from CO2 using formate dehydrogenase from Candida Boidinii, formaldehyde dehydrogenase from Pseudomonas Putida and alcohol dehydrogenase from Saccacharomyces cerevisiae. We improved the system active by adjusting the catalytic conditions and the relative quantity of each dehydrogenase. Phosphite dehydrogenase from Pseudomonas stutzeri was also chosen among 4 different studied systems to be introduced into the catalysis as a cofactor regenerating system for reduced nicotinamide adenine dinucleotide. The enzymatic system was then immobilized by encapsulation into novel phospholipid templated silica nanocapsules, allowing an increase of the methanol productivity by a factor 15. We show that the last limitation of the process as substrate availability and product accumulation can be overcome by running continuous enzymatic flow conversion in a gas phase.

L'un des objectifs des industries chimique et pharmaceutique est de développer des procédés verts évitant ou réduisant l'utilisation de solvants. Mais ne pas utiliser de solvant nécessite souvent des catalyseurs métalliques ou autre, ce qui rend les purifications délicates, comme dans le cas des synthèses de chimie fine permettant l'obtention de principes actifs pharmaceutiques. C'est ainsi que la mécanochimie a émergé en tant que voie durable pour la synthèse chimique, y compris dans le cas des transformations moléculaires organiques sous contrainte mécanique. Malgré les progrès récents de cette méthodologie, certains aspects de l'action mécanique ne sont pas totalement élucidés, en particulier ce qui concerne les mécanismes. Dans cette thèse, trois axes principaux de la mécanochimie ont été explorés. Dans une première partie, le mécanisme moléculaire de la synthèse de deux types de 1,4-diazines, la dibenzo[a,c]phenazine (DBPZ) et la 2,3-diphenylquinoxaline (DPQ), a été investigué. La RMN 13C CP-MAS a permis de mettre en évidence des intermédiaires de cette synthèse, et des mesures calorimétriques ont révélé que deux réactions se poursuivaient après broyage. La possibilité d'une réaction concertée a également été prise en compte dans le cas de la dibenzo[a,c]phenazine. La seconde partie concerne la formation de la 2,3-diphenylquinoxaline. Les paramètres du procédé ont été étudiés, dans le cas d'un broyeur à bille vibrant. L'influence des matériaux de broyage, de la taille et de la masse des billes, la granulométrie des matières premières, ainsi que la température des media de broyage ont été étudiés, permettant de déterminer une énergie d'activation apparente (Ea). Le tracé des courbes selon Arrhenius et Eyring-Polanyi a montré des changement de Ea caractéristiques de modifications au niveau du mécanisme, attribuées à l'apparition d'un possible eutectique fondant au dessus de 30°C, induit mécaniquement. Après cette étude qui a permis la compréhension de certains points fondamentaux, et d'approfondir les procédés de ces réactions modèles, une troisième partie traite de l'application de la mécanochimie à la synthèse en phase solide d'hydrazones d'intérêt pharmaceutique, et à celle catalysée de dérivés de l'isoniazide obtenus par réaction d'aldéhydes et d'hydrazines. D'une manière générale, les durées de réaction sont plus faibles, et les rendements meilleurs, qu'avec les méthodes classiques. L'influence des réactivités électronique et des hydrazines à l'état solide a été discutée. Les essais biologiques ont démontré une activité avérée des dérivés de l'isoniazide dans l'inhibition de Mycobacterium tuberculosis. Les résultats présentés dans cette thèse englobent plusieurs aspects très complémentaires de la mécanochimie. L'approche fondamentale du mécanisme est d'un accès difficile, en raison de la complexité du système, mais des avancées ont été réalisées comme la mise en évidence d'intermédiaires à longue durée de vie. Les paramètres du procédé apportent une contribution à la compréhension du mécanisme mais aussi en vue du scaling-up. Enfin, la mécanosynthèse s'est révélée être une méthode de chimie verte particulièrement adaptée à la synthèse d'hydrazones d'intérêt pharmaceutique, pour le screening de nouvelles entités ou la synthèse durable de produits de grande pureté. / One of the goals of pharmaceutical and chemical industries is the development of green processes that eliminates or reduces the use of solvents. However, avoiding solvents often requires the use of metal catalysts or others, that accelerates chemical reactions, but make the purifications difficult, especially in the case of fine chemical products, such as active pharmaceutical ingredients. The mechanochemistry has emerged as a sustainable way that enables chemical synthesis, including organic molecular transformations, using the mechanical energy. In spite of the recent advances of the methodology, some aspects of the mechanical action still remain to be fully elucidated, mainly concerning the mechanisms. In this thesis, three main axes of mechanochemistry were explored. First, the molecular mechanism of 1,4-diazine mechanosynthesis, mentioning dibenzo[a,c]phenazine (DBPZ) and 2,3-diphenylquinoxaline (DPQ), is investigated by using 13C CP-MAS NMR that reveals intermediate species for DBPZ, and by calorimetric measurements that show continuation of the reaction after grinding for both reactions. The possibility of a concerted mechanism is considered for dibenzo[a,c]phenazine case. The second focus is on 2,3-diphenylquinoxaline product formation. The process parameters for a vibratory ball mill were studied. Grinding material, size and mass of the balls, granulometry of the starting material were assessed, as well as the temperature of the milling media, providing apparent activation energy (Ea). Arrhenius and Eyring-Polanyi plots presented changes in Ea indicating changes in mechanism, which was attributed to a possible mechanically induced eutectic melting after 30°C. Finally, after understanding some fundamentals and processes for those model reactions, the mechanochemical route was successfully applied to solid-state synthesis of pharmaceutically attractive phenolic hydrazones and catalyzed isoniazid derivatives synthesis, by reacting solid aldehydes and hydrazines. In general, the products were obtained in shorter times and in higher yields compared to classical thermal route. The roles of electronic and solid-state reactivity of the hydrazines were discussed. Biological assays demonstrated the great activity of isoniazid derivatives in inhibiting Mycobacterium tuberculosis. The results presented here cover the mechanochemistry at different levels. The fundamental comprehension is still difficult to access due to the complexity of the system, but some advances could be made such as the detection of intermediate species with significant lifetime. The process parameters are equally important to deduce some mechanism, but also for scale up purposes. At last, the mechanosynthesis of hydrazones showed to be a greener route to produce pharmaceuticals, for high screening of new ones, as well as for the synthesis of others, with great purity and waste reduction.

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Supercritical fluid chromatography (SFC) is an expanding chromatographic technique that is part of the evolving field of green chemistry due to its short run times and use of non-toxic solvents in combination with recycled CO2. The use of a suitable column is essential for separation science in general and there is a wide variety of SFC compatible columns available on the market. In collaboration with the AstraZeneca Gothenburg Separation Science Laboratory (SSL), an investigation of 25 stationary phases in combination with four different mobile phases was conducted in order to evaluate interactions between the mobile phase, stationary phase and analytes. The aim was to find a new column set, able to operate with a wide range of molecules at both analytical and preparative scale. The 36 compounds analysed were chosen to represent the chemical space suitable for current and foreseen compounds of interest within AstraZeneca. Furthermore, to mitigate the risk of degradation of sensitive compounds in basic conditions, different combinations of basic stationary phases and neutral mobile phases were investigated.The study was performed using a Waters Acquity UPC2 system equipped with a photodiode array (PDA) detector and a single quadrupole detector (SQD). The data was gathered by Empower 3 and analysed using statistical methods to evaluate corelations and orthogonality with the help of Python. Visualisations were produced using Pandas, XLstat and SIMCA.The results evaluated retention time, symmetry factor, distribution of retention times of compounds over the columns, and DMSO retention. The results showed that MeOH and the basic additive NH3 included in the mobile phase composition provided the shortest retention times, best peak symmetry and distribution of compounds. It was concluded that Kromasil 2EP, Kromasil Diol, DC Pak PBT, and Kromasil NH2 columns represent a diverse set for the intended chemical space. They all also operate with good results without additive, for the compounds used. / Superkritisk vätskekromatografi (SFC) är en växande kromatografisk teknik som tack vare sina snabba analyser, användandet av icke toxiska lösningsmedel, samt återvinningsbar CO2 utgör en del av den allt mer populära “gröna” kemin. Det finns en mängd kolonner utvecklade för SFC på marknaden, och att använda rätt sorts stationär fas är en viktig del för separationen av olika ämnen. I samarbete med Separation Science Laboratory på AstraZeneca i Göteborg, har 25 olika stationära faser i kombination med fyra mobila faser studerats för att analysera interaktionerna mellan faserna och analyterna. Målet är att hitta en uppsättning av kolonner som kan användas vid upprening av substanser med en stor variation av kemiska egenskaper/deskriptorer. För den här studien har 36 molekyler som representerar den kemiska rymd som AstraZeneca jobbar i använts. För att minimera risken av nedbrytning av känsliga molekyler i basiska miljöer, är även basiska kolonner med neutrala mobilfaser inkluderade. Under studien användes SFC systemet Acquity UPC2, utrustad med en Diode array detektor, en Single quadrapole detektor samt Empower 3 för insamling av data. Den statistiska analysen utfördes i Python och visualiseringen gjordes med hjälp av Pandas, Xlstat och Simca.Resultaten utvärderades med avseende på retentionstid, symmetrifaktorn, fördelningen av substanser över kolonnerna och retention av DMSO. Resultaten visade att MeOH med NH3 som additiv i mobilfasen gav kortast retentionstid, bäst symmetri och bredast fördelning av substanser. Slutsatserna var att kolonnerna Kromasil 2EP, Kromasil Diol, DC Pak PBT, and Kromasil NH2 tillsammans representerar den diversa uppsättning av kolonner som passar den kemiska rymnd som användes i studien. Samtliga kolonner kan även köras med goda resultat i neutrala mobila faser, med de betingelser som använts.

The interfacial structuring of three non-halogenated ionic liquids was examined at the air-liquid interface for both dry and humid condition by analysis of X-ray reflectometry data using a slab model approach. The aim was to investigate the effect of humidity on the air-liquid interface. Pure ionic liquids as well as solutions of 5% w/w and 20% w/w in propylene carbonate were examined. Three different cations were used, a phosphonium cation ([P6,6,6,14]+) and two dialkylimidazolium cations ([C6C1Im]+ and [C10C1Im]+). The anion was bis(mandelato)borate ([BMB]-), which is a non-commercial anion that has been shown to exhibit excellent tribological properties. The results reveal that the presence of ambient water has an impact on the interfacial structure and the layering of all pure ionic liquids, as well as most cases of ionic liquid solutions. Exposure to humidity had the largest response in the case of all pure and diluted solutions of [C6C1Im][BMB], for which a more pronounced layering was observed. The [P6,6,6,14][BMB] solutions did not exhibit any significant changes when exposed to ambient water, with the 20% w/w solution proving to be the most stable. / Gränsskiktsstrukturen hos tre olika icke-halogenerade jonvätskor undersöktes vid luft-vätskegränsskiktet för både torra och fuktiga förhållanden genom analys av data från en röntgen reflektometer med en “slab model approach”. Målet var att undersöka effekten av luftfuktighet på luft-vätskagränsskiktet. Rena jonvätskor såväl som lösningar av 5 och 20 vikt-% utspädda i propylenkarbonat undersöktes. Tre olika katjoner användes, en fosforkatjon ([P6,6,6,14]+) samt två dialkylimidazoliumkatjoner ([C6C1Im]+ och [C10C1Im]+). Anjonen var bis(madelato)borat ([BMB]-), vilket är en icke-kommersiell anjon som har visat bra tribologiska egenskaper. Resultatet visar att närvaron av omgivande vatten har en påverkan på gränsskiktsstrukturen samt skiktning hos alla rena jonvätskor och de flesta utspädda lösningar. Exponering för fuktighet hade den största inverkan på alla rena och utspädda lösningar av [C6C1Im][BMB], för vilka en mer distinkt skiktning kunde observeras. [P6,6,6,14][BMB] lösningar uppvisade inga signifikanta ändringar vid exponering till fuktig luft, där den lösning med 20 vikt-% visade sig vara mest stabil.