Today, the demand for speed in drug discovery is constantly increasing, particularly in the iterative processes of hit validation and expansion and lead optimization. Irradiation with microwaves (MWs) has been applied in the area of organic synthesis to accelerate chemical reactions and to facilitate the generation of new chemical entities since 1986. In the work presented in this thesis, the use of MW-mediated heating has been expanded to address three fields of drug discovery, namely hit expansion, chemical library generation and genomics. In the first project, potential inhibitors of malaria aspartic proteases were designed and synthesized, partly by MW-assisted organic chemistry, and evaluated with regard to their inhibitory efficacy on five malaria aspartic proteases and their selectivity over two human aspartic proteases. The synthetic work included the development of fast and convenient methods of MW-assisted formation of thiazolidines and epoxy esters. Some of the resulting structures proved to be efficacious inhibitors of the aspartic protease that degrades haemoglobin in all four malaria parasites infecting man. No inhibitor affected the human aspartic proteases. Expedient, two-step, single-operation synthetic routes to heterocycles of medicinal interest were developed in the second and third projects. In the former, the use of a versatile synthon, Ph3PCCO, provided α,β-unsaturated lactones, lactams and amides within 5–10 minutes. In the latter project, saturated lactams were formed from amines and lactones in 35 minutes, in the absence of strong additives. These two MW-mediated protocols allowed the reduction of the reaction time from several hours or days to minutes. In the fourth project, a fully automated MW-assisted protocol for the important enzyme-catalysed polymerase chain reaction (PCR) was established. In addition, the PCR reaction could be performed in unusually large volumes, 2.5 mL and 15 mL, with yields corresponding to those from conventional PCR. Good amplification rates suggested that the thermophilic enzyme, Taq polymerase, was not affected by the MW radiation.

El presente trabajo de Tesis tiene como finalidad analizar el potencial de los líquidos iónicos como medios de reacción y separación en reacciones de transesterificación enzimáticas. Los ILs inmiscibles con agua han resultado medios muy adecuados para llevar a cabo la síntesis de ésteres catalizada por la lipasa B de Candida antarctica (CALB), incrementando la actividad y selectividad enzimática con respecto a los valores obtenidos en disolventes orgánicos convencionales como n-hexano. El uso de líquidos iónicos miscibles con agua ha dado lugar a menores valores de actividad enzimática que n-hexano, aunque la selectividad en estos medios es mucho mayor. Los ILs se han revelado también como prometedores disolventes en su empleo en procesos de separación, más concretamente como fase líquida en membranas líquidas soportadas (SLMs). Se han desarrollado SLMs basadas en ILs altamente estables que permiten llevar a cabo la separación selectiva de sustratos y productos de reacciones de transesterificación. / The main objective of this thesis is to analyze the potential use of ionic liquids as reaction and separation media in lipase-catalysed transesterification reactions. The use of ionic liquids in biocatalytic processes has been shown to be an environmentally attractive alternative to classical organic solvents. Water-immiscible ionic liquids appeared as suitable media for the transesterification reactions catalysed by Candida antarctica lipase B (CALB), increasing the activity and selectivity with respect to the values obtained with a classical organic solvent, n-hexane. The use of water-miscible ionic liquids led to lower activities than obtained in n-hexane, although the selectivity values were much higher in these media. Ionic liquids have also been shown to be promising solvents for the use in separation processes, more specifically as liquid phase in supported liquid membranes (SLMs). Highly stable SLMs based on ionic liquids have been succesfully used for the selective separation of different organic compounds which are substrates and products of transesterification reactions.

With the advancements in the field of wireless sensor networks (WSNs), more and more applications require the sensor nodes to have long lifetime. Energy harvesting sources, e.g. thermoelectric generators (TEGs), can be used to increase the lifetime and capability of the WSNs. Integration of energy harvesters into sensor nodes of WSNs can realize self powered systems, providing the possibility for maintenance free WSNs. TEGs can convert the existing temperature differences into electricity. The efficiency of TEGs is directly related to the dimensionless figure of merit (ZT) of materials, which is given as ZT=σS^2 T/k, where σ is the electrical conductivity, S is the Seebeck coefficient, k is the thermal conductivity, T is the temperature and σS^2 is the power factor. Traditional thermoelectric (TE) materials are based on inorganic materials, of which the thermal conductivity is high. Over the past decade, the use of nanostructuring technology, e.g. superlattice, could decrease the thermal conductivity in order to enhance the efficiency of TE materials. However, the high cost and the rigidity of inorganic TE materials are limiting factors. As alternatives, polymer based materials have become the research focus due to their intrinsic low thermal conductivity, high flexibility and high electrical conductivity. Moreover, polymer based materials could be fabricated in solution form, giving the possibility for employing printing techniques hence a decrease in the production cost. Unlike the typical approach, in which secondary dopants are added into PEDOT:PSS solutions to modify the power factor of polymer films, this thesis is focused on a more efficient method to improve TE properties. This thesis demonstrates for the first time that post treatment of PEDOT:PSS films with the secondary dopant DMSO as the medium results in a much larger power factor than the traditional addition method. The post treatment method also avoids the usually required mixing step involved in the addition method. Different solvents were selected to discuss the impact factors in the modification of the power factor by this post treatment approach. The post treatment of PEDOT:PSS films was then extended to utilize a green solvent EMIMBF_4 (an ionic liquid) as the medium. EMIMBF_4 is found to exchange ions with PEDOT:PSS films. As a result, the EMIM^+ cations remain in the films and reduce the oxidation level of PEDOT chains, which affects the Seebeck coefficient and the electrical conductivity. Furthermore, TE materials based on hybrid composites with polymer as the matrix and Te nanostructures as the nanoinclusions were investigated. This thesis successfully developed a green synthesis method to obtain Te nanostructures, in which a non toxic reductant and a non toxic Te sources were used. Well controlled Te nanostructures including nanorods, nanowires and nanotubes were synthesized by wet chemical and hydrothermal synthesis. Those as synthesized Te nanowires were then integrated into PEDOT:PSS solution for composite films fabrication. A high Seebeck coefficient up to 200 μV/K was observed in the composite film. / Mit den Weiterentwicklungen der Drahtlosen Sensornetzwerke (engl. WSN, wireless sensor networks) stellen immer mehr Anwendungen die Forderung einer langen Lebensdauer der Sensorknoten. Energiegewinnungssysteme (engl. Energy Harvesters) wie z.B. thermoelektrische Generatoren (TEGs) können genutzt werden, um die Lebensdauer und Leistungsfähigkeit der WSN zu steigern. Mit der Integration von Energy Harvesters können WSN ohne äußere Stromversorgung realisiert und somit die Möglichkeit zur Wartungsfreiheit geschaffen werden. TEGs liefern Energie durch die Umwandlung einer Temperaturdifferenz in Elektrizität. Die Effektivität der TEG ist direkt verbunden mit der Material-Kennzahl ZT und ist gegeben durch ZT=σS^2 T/k, wobei σ die elektrische Leitfähigkeit ist, S der Seebeck Koeffizient, k die thermische Leifähigkeit, T die Temperatur und σS^2 der Leistungsfaktor. Herkömmliche thermoelektrische (TE) Materialien basieren auf anorganischen Materialien, von denen die thermische Leitfähigkeit hoch ist. Im Laufe des letzten Jahrzehnts konnte durch den Einsatz der Nanostrukturierung die thermische Leitfähigkeit verringern werden um damit die Effizienz von TE-Materialien zu steigern. Die Steifigkeit dieser Materialien ist ein anderer Aspekt. Als Alternative für anorganische TE Materialien sind Polymer basierte TE Materialien zum Fokus der Forschung geworden aufgrund einer intrinsisch niedrigen thermischen Leitfähigkeit, hohen Flexibilität und hohen elektrischen Leitfähigkeit. Des Weiteren können diese Polymere in gelöster Form verarbeitet werden, was die Möglichkeit für den Einsatz von Drucktechnologien und damit geringeren Produktionskosten gibt. Anders als der herkömmliche Ansatz den Leistungsfaktor der Polymerfilme durch die Ergänzung von sekundären Dotanten in PEDOT:PSS Lösungen zu verändern, wurde in dieser Arbeit eine effizientere Methode zur Verbesserung der TE Eigenschaften gesucht. In dieser Arbeit wird zum ersten Mal gezeigt, dass die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten mit sekundären Dotanten Dimethylsulfoxid (DMSO) als Medium der Nachbehandlung zu einem viel höheren Leistungsfaktor führt als bei der Zugabemethode und außerdem die sonst erforderliche Mischprocedur vermeidet. Es wurden verschiedene Lösungsmittel ausgewählt um die Einflussfaktoren bei der Modifikation des Leistungsfaktors durch die Nachbehandlung von Polymerschichten zu diskutieren. Die Nachbehandlung von PEDOT:PSS Schichten wurde nachfolgend erweitert um das umweltfreundliche Lösungsmittel EMIMBF4 (eine ionische Flüssigkeit) als das Medium einzusetzen. EMIMBF4 ist bekannt für den Austausch von Ionen mit PEDOT:PSS Schichten, so dass EMIM Kationen in der Schicht verbleiben, die Oxidationsstufe der PEDOT-Ketten senken und damit den Seebeck-Koeffizient und die elektrische Leitfähigkeit beeinflussen. Des Weiteren konzentriert sich diese Arbeit auf TE Materialien basierend auf Kompositen aus Polymeren mit Nanoeinlagerungen. Erfolgreiche Syntheseansätze wurden für Tellur-Nanostrukturen entwickelt, bei denen keine giftigen Reduktionsmittel und keine giftigen Tellur-Quellen zur Verwendung kamen. Es erfolgte die Erzeugung von kontrollierten Tellur-Nanostrukturen, einschließlich Nanostäben, Nanodrähten und Nanoröhren, mit nass-chemischer und hydrothermaler Synthese. Die so hergestellten Nanodrähte wurden dann in PEDOT:PSS Lösungen integriert für die Herstellung von Komposite-Schichten. Dabei konnte ein hoher Seebeck-Koeffizienten, bis zu 200 μV/K, festgestellt werden.

Les propriétés d'une nouvelle classe de chimie de surface basée sur les monocouches auto-assemblées de liquides ioniques (ILs-SAMs), ont été étudiées pour une utilisation dans la construction de biocapteurs basés sur la résonance des plasmons de surface (SPR). Les biocapteurs sont utiles pour détecter des biomolécules spécifiques dans une matrice biologique complexe. Cependant, le signal analytique de la biomolécule spécifique peut être masqué par l’adsorption non spécifique de la matrice biologique, produisant une réponse faussement positive. Par ailleurs, l'activité des récepteurs moléculaires est souvent réduite par des techniques d'immobilisation chimique. Ainsi, il est essentiel de déterminer une surface idéale pour la préparation de biocapteurs. Les liquides ioniques sont bien connus pour favoriser l'activité des récepteurs moléculaires et cette étude enquête si cette propriété importante peut se traduire sur des capteurs SPR. Différents liquides ioniques ont été utilisés pour former des monocouches auto-assemblées sur une surface d'or. Les ILs-SAMs sont tous basés sur les sels de mercapto-(chaîne alkyle)nCH2-méthylimidazolium avec différentes chaînes alkyles (n = 3, 6, 9, 12) et différents contre-anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Des études cinétiques de l'adsorption non spécifique de sérum bovin ont été réalisées sur des capteurs SPR avec un instrument construit sur mesure, basé sur l'interrogation des longueurs d’ondes SPR sur un prisme d’inversion d’image (dove). Par la suite, l’anti-IgG de chèvre sélective à l’IgG humain a été utilisé en tant que modèle pour la confection de biocapteurs sur les ILs-SAMs. En solution, il est possible d’effectuer des échanges du contre-anion des liquides ioniques pour un contre-anion de plus en plus hydrophobe. Cependant, l’échange inverse, soit vers des anions de plus en plus hydrophile, s’avère impossible. Toutefois, il a été observé par les travaux présentés dans ce mémoire, que les liquides ioniques immobilisés sur une surface d'or ont la capacité d'échanger leurs contre-anions réversiblement, procurant une méthode simple de moduler leurs propriétés physico-chimiques. Ce phénomène a été observé par la mesure d’angles de contacts et par les techniques spectroscopiques de l’infrarouge moyen (mid-IR), des photoélectrons de rayon-X (XPS) et par la diffusion Raman exaltée par les surfaces (SERS) ii ainsi que par la spectrométrie de masse (MS). La connaissance des propriétés d’échange d’anion est importante pour prédire le comportement de ces surfaces de liquides ioniques dans les tampons et fluides biologiques. / The properties of a novel class of surface chemistry based on ionic liquid self-assembled monolayers (IL-SAM) were investigated for use with surface plasmon resonance (SPR) biosensors. Biosensors are useful to detect specific biomolecules in a complex biological matrix. However, the analytical signal of a specific biomolecule can be masked by nonspecific adsorption of the biological matrix, resulting in a false positive response. Moreover, the activity of molecular receptors is often reduced by current immobilization chemistry. Thus, it is essential to determine an ideal surface for the preparation of biosensors. Ionic liquids are well-known to promote the activity of molecular receptors and this study investigates if this important property translates to SPR sensors. Different ionic liquids were used to form self-assembled monolayers on a gold surface. IL-SAM were based on mercapto(alkyl chain)n methylimidazolium salts with different alkyl chain (n = 3, 6, 9, 12) and counter anions (Br-, BF4-, PF6-, NTf2-). Kinetic studies of the nonspecific adsorption of bovine serum were carried on SPR sensors with a custom built instrument based on wavelength interrogation SPR on a dove prism. Thereafter, anti-goat IgG selective to human IgG was used as a model for biosensor employing ILs-SAM surface chemistry. Exchange of counter anion of ionic liquids was believed impossible for most hydrophobic counter anions. However, it was observed that ionic liquids immobilized on a gold surface have the ability to exchange their counter anions reversibly, allowing a simple method to modulate their physico-chemical properties. This phenomenon was observed by contact angle technique and by attenuated total reflectance mid-infrared (ATR mid-IR), X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), surface enhanced raman spectroscopy (SERS) and mass spectrometry (MS). Better understanding of the anion exchange properties is crucial in predicting the behaviour of IL-SAM in presence of biological buffers and fluids.

Le 1,1'-bi-2-naphtol ou Binol, présentant une chiralité axiale, est un ligand très utilisé en catalyse asymétrique. Au cours des vingt dernières années, le Binol a servi de synthon à l’élaboration de très nombreux ligands permettant la catalyse asymétrique de tous types de réactions, allant de l’hydrogénation, à l’alkylation, en passant par diverses réactions péricycliques. Le grand intérêt pour ce ligand vient de sa versatilité et des nombreuses possibilités de fonctionnalisation qu’il offre, permettant d’altérer ses propriétés catalytiques à volonté, aussi bien en modifiant son caractère électronique, qu’en introduisant des facteurs stériques autour du site catalytique. Parallèlement aux développements de la catalyse par des dérivés de Binol, le domaine des liquides ioniques a connu un intérêt croissant ces dernières années. Les liquides ioniques, sels dont le point de fusion est inférieur à 100°C, cumulent de nombreuses qualités convoitées : faible pression de vapeur, stabilité thermique et chimique et fort pouvoir de solvatation. Dû à ces propriétés, les liquides ioniques ont principalement été étudiés dans l’optique de développer une gamme de solvants recyclables. Alors que les propriétés des liquides ioniques sont facilement modulables en fonction de l’anion et du cation choisi, le concept de liquide ionique à tâche spécifique va plus loin et propose d’introduire directement, sur le cation ou l’anion, un groupement conférant une propriété particulière. En suivant cette approche, plusieurs ligands ioniques ont été rapportés, par simple couplage d’un cation organique à un ligand déjà connu. Étonnamment, le Binol a fait l’objet de très peu de travaux pour l’élaboration de ligands ioniques. Dans cette thèse, nous proposons l’étude d’une famille de composés de type Binol-imidazolium dont les unités Binol et imidazolium sont séparées par un espaceur méthylène. Différents homologues ont été synthétisés en variant le nombre d’unités imidazolium et leur position sur le noyau Binol, la longueur de la chaîne alkyle portée par les unités imidazolium et la nature du contre-anion. Après une étude des propriétés thermiques de ces composés, l’utilisation des Binol-imidazoliums en tant que ligands dans une réaction asymétrique d’éthylation d’aldéhydes aromatique a été étudiée en milieu liquide ionique. La réaction a été conduite en solvant liquide ionique dans le but de recycler aussi bien le ligand Binol-imidazolium que le solvant, en fin de réaction. Cette étude nous a permis de démontrer que la sélectivité de ces ligands ioniques dépend grandement de leur structure. En effet, seuls les Binols fonctionnalisés en positions 6 et 6’ permettent une sélectivité de la réaction d’éthylation. Alors que les dérivés de Binol fonctionnalisés en positions 3 et 3’ ne permettent pas une catalyse énantiosélective, il a déjà été rapporté que ces composés avaient la capacité de complexer des anions. D’autre part, il a déjà été rapporté par notre groupe, que les composés comportant des unités imidazolium pouvaient permettre le transport d’anions à travers des bicouches lipidiques en fonction de leur amphiphilie. Ceci nous a amenés à la deuxième partie de cette thèse qui porte sur les propriétés ionophores des Binols fonctionnalisés en positions 3 et 3’ par des unités imidazoliums. Dans un premier temps, nous nous sommes intéressés à l’étude de la relation structure-activité et au mécanisme de transport de ces composés. Le transport d’anions étant un processus clé dans la biologie cellulaire, l’activité biologique des composés présentant une activité ionophore dans des systèmes modèles (liposomes) a été étudiée par la suite. L’activité antibactérienne des nos composés a été testée sur quatre souches de bactéries. Il s’est avéré que les composés Binol-imidazolium sont actifs uniquement sur les bactéries Gram positives. Finalement, la cytotoxicité des composés présentant une activité antibactérienne a été étudiée sur des cellules humaines. / 1,1'-Bi-2-naphthol or Binol, having an axial chirality, is a widely used ligand in asymmetric catalysis. Over the last twenty years, Binol was used as a synthon for the synthesis of numerous ligands for the asymmetric catalysis of various reactions including hydrogenation, alkylation and various pericyclic reactions. The interest in this ligand comes from its versatility and possibilities to modify its electronic character and to introduce steric bulk around the catalytic site. Paralleling interest in the study of Binol derivatives as ligands for asymmetric catalysis has been a growth in research on ionic liquids. Ionic liquids are salts with melting points below 100°C. They combine many interesting properties, such as low vapor pressure, thermal and chemical stability and high solvation power. Due to these properties, ionic liquids have been investigated to develop a range of recyclable solvents. Recently, the concept of task-specific ionic liquids has emerged in which the properties of the ionic liquids are tuned by selecting different cations and anions, to accomplish specific applications. Following this approach, several ionic ligands have been made by coupling known ligands to an ionic liquid cation. Rarely, Binol has been used for this purpose. In this thesis, we study a family of Binol-imidazolium type compounds, in which Binol and imidazolium units are linked by a methylene spacer. Several analogs were synthesized by varying the number of imidazolium units and their position on the Binol moiety, the alkyl chain length on the imidazolium units and the counter-anion. After a study of the thermal properties, the use of Binol-imidazoliums as ligands was described in the asymmetric ethylation of aromatic aldehydes. The reaction was conducted in ionic liquid solvent and both Binol-imidazolium ligand and the solvent were recycled at the end of the reaction. This study demonstrates that the selectivity of these ligands greatly depends on their structure. Indeed, only Binol analogs functionalized at the 6 and 6’ positions were selectivite. Although Binol derivatives functionalized at the 3 and 3' positions did not serve as enantioselective catalysts, they were able to complex anions. Furthermore, it has already been reported by our group, that imidazolium compounds can transport anions across lipid bilayers depending on their amphiphilicity. In the second part of this thesis, we cover the ionophoric properties of Binol derivatives functionalized at the 3 and 3' positions by imidazolium moieties. First, a study will be presented of their structure-property relationships in the transport through liposomes. Thereafter, the transport mechanism will be discussed. Finally, the biological activity of our compounds with ionophore activity was studied, because the anion transport is a key process in cell biology. Their antibacterial activity was tested on four strains of bacteria. Binol-imidazolium compounds exhibited activity on Gram positive bacteria. Their cytotoxicity was also studied on human cells.

DSSC est une technologie photovoltaïque de 3ème génération avec un fort potentiel économiquement et une efficacité importante de conversion des photons en électricité. Le DSSC à l'état solide à base d'électrolyte polymère solide prévient la perte et l'évaporation du solvant pendant la fabrication et le fonctionnement des cellules, ce qui prolongera efficacement la durée de vie de la cellule. Cependant, il souffre d'une faible conductivité ionique et d'une faible infiltration des pores.La présente thèse est dédiée au développement concomitant d'électrolytes polymères à base de polysiloxane d'un côté et de photoanodes TiO2 à porosité controlée de l'autre côté et leur incorporation dans des cellules solaires contrastants à l'état solide (ss-DSSC), dans le but d'améliorer leur efficacité photovoltaïque et la stabilité à long terme. À notre connaissance, les DSSC comprenant des couches de TiO2 bimodales et des électrolytes de polysiloxane n'ont jamais été rapportés.La conductivité ionique et le coefficient de diffusion des tri-iodures des liquides poly (ioniques) (PILs) à base de polysiloxane ont été largement améliorés par addition de liquides ioniques (ILs) ou de carbonate d'éthylène (EC), conduisant à des conductivités ioniques de l'ordre de 10-4 -10-3 Scm-1. Les DSSC fabriqués avec les électrolytes optimisés ont montré des rendements jusqu'à 6%, avec une stabilité à long terme pendant 250 jours.Des films de TiO2 bimodaux à double porosité (méso et macroporosité) ont été fabriqués par revêtement par centrifugation, en utilisant des modèles mous et durs. Les films à double matrice bénéficient d'une taille de pores accrue tout en maintenant une surface spécifique élevée pour l'adsorption de colorant. Les films bimodaux se sont révélés plus efficaces lorsqu'ils ont été testés avec des électrolytes polymères, ayant des efficacités comparables avec l'électrolyte liquide dans les DSSC, malgré une absorption plus faible de colorant.Cette thèse apporte une contribution significative dans le domaine des DSSC en tant que cellules solaires efficaces et stables qui ont été préparés à partir d'électrolytes polymères et de films bimodaux nouvellement synthétisés. / DSSC is a 3rd generation photovoltaic technology with potential to economically harvest and efficiently convert photons to electricity. Full solid state-DSSC based on solid polymer electrolyte prevents the solvent leaking and evaporation during cell fabrication and operation, which will effectively prolong the cell life time. However, it suffers from low ionic conductivity and poor pore infiltration.The present thesis is dedicated to the concomitant development of polysiloxane-based polymer electrolytes on one side, and TiO2 photoanodes with tuned porosity on the other side, and their incorporation in solid state dye sensitised solar cell (ss-DSSCs), with the aim to improve their photovoltaic efficiency and the long term stability. To best of our knowledge, DSSCs comprising bimodal TiO2 layers and polysiloxane electrolytes have never been reported.The ionic conductivity and tri-iodide diffusion coefficient of the polysiloxane-based poly(ionic) liquids (PILs) were largely improved by adding of ionic liquids (ILs) or ethylene carbonate (EC), achieving ionic conductivities of 10−4 -10−3 Scm−1. The DSSCs fabricated with the optimized electrolytes showed efficiencies up to 6%, with long term stability for 250 days.Bimodal TiO2 films with dual porosity (meso- and macro-porosity) were fabricated by spin-coating, by using soft and hard templating. The dual templated films benefit from increased pore size while maintaining high surface area for dye adsorption. Bimodal films were shown to be more efficient when tested with polymer electrolytes, having comparable efficiencies with liquid electrolyte when in DSSCs, despite lower dye uptake.This thesis brings a significant contribution to the field of DSSCs as efficient and stable solar cells were prepared from newly synthesized polymer electrolytes and bimodal films.

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:01:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 JessicaCSLM_DISSERT.pdf: 2011571 bytes, checksum: 8e087d35d6e4c83d4f7eda24cd8d3e57 (MD5) Previous issue date: 2012-09-21 / Anhydrous ethanol is used in chemical, pharmaceutical and fuel industries. However, current processes for obtaining it involve high cost, high energy demand and use of toxic and pollutant solvents. This problem occurs due to the formation of an azeotropic mixture of ethanol + water, which does not allow the complete separation by conventional methods such as simple distillation. As an alternative to currently used processes, this study proposes the use of ionic liquids as solvents in extractive distillation. These are organic salts which are liquids at low temperatures (under 373,15 K). They exhibit characteristics such as low volatility (almost zero/ low vapor ), thermal stability and low corrosiveness, which make them interesting for applications such as catalysts and as entrainers. In this work, experimental data for the vapor pressure of pure ethanol and water in the pressure range of 20 to 101 kPa were obtained as well as for vapor-liquid equilibrium (VLE) of the system ethanol + water at atmospheric pressure; and equilibrium data of ethanol + water + 2-HDEAA (2- hydroxydiethanolamine acetate) at strategic points in the diagram. The device used for these experiments was the Fischer ebulliometer, together with density measurements to determine phase compositions. The experimental data were consistent with literature data and presented thermodynamic consistency, thus the methodology was properly validated. The results were favorable, with the increase of ethanol concentration in the vapor phase, but the increase was not shown to be pronounced. The predictive model COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdels Segment Activity Coefficient) proposed by Lin & Sandler (2002) was studied for calculations to predict vapor-liquid equilibrium of systems ethanol + water + ionic liquids at atmospheric pressure. This is an alternative for predicting phase equilibrium, especially for substances of recent interest, such as ionic liquids. This is so because no experimental data nor any parameters of functional groups (as in the UNIFAC method) are needed / O etanol anidro tem ampla aplica??o em ind?strias qu?mica, farmac?utica e de combust?veis. No entanto, os processos atuais para a sua obten??o envolvem custo elevado, alta demanda de energia e a utiliza??o de solventes t?xicos e poluentes. Esse problema ocorre devido ? forma??o de aze?tropo na mistura etanol + ?gua, n?o permitindo a separa??o completa por m?todos convencionais tais como destila??o simples. Como uma alternativa aos processos atualmente utilizados, este estudo prop?e a utiliza??o de l?quidos i?nicos como agentes na destila??o extrativa. Trata-se de sais org?nicos l?quidos a baixas temperaturas (abaixo de 373,15 K). Suas caracter?sticas, tais como baixa volatilidade (press?o de vapor muito baixa), estabilidade t?rmica e baixa corrosividade os tornam interessantes para aplica??es como catalisadores e solventes. Neste trabalho, dados experimentais de press?o de vapor de etanol e ?gua puros na faixa de press?o de 20 a 101 kPa, assim como dados de equil?brio l?quido-vapor(ELV) do sistema etanol + ?gua a press?o atmosf?rica, e dados de equil?brio do sistema etanol + ?gua + 2-HDEAA (acetato de 2-hidrodietanolamina) foram obtidos em pontos estrat?gicos do diagrama. O dispositivo usado para esses experimentos foi o ebuliometro de Fischer, juntamente com medidas de densidade para determinar a composi??o das fases. Os dados obtidos apresentaram coer?ncia com dados da literatura e consist?ncia termodin?mica, desta forma, a metodologia foi devidamente validada. Os resultados foram favor?veis, com o aumento da concentra??o de etanol na fase vapor, por?m o aumento n?o demonstrou ser elevado. O modelo preditivo COSMO-SAC (COnductor-like Screening MOdels Segment Activity Coefficient), desenvolvido por Lin e Sandler (2002), foi aplicado para os c?lculos de predi??o de Equil?brio L?quido-Vapor do sistema etanol + ?gua com l?quido i?nico a press?o atmosf?rica. Essa ? uma alternativa para a previs?o do equil?brio de fases, especialmente para subst?ncias de interesse recente, tais como l?quidos i?nicos, uma vez que nem dados experimentais, nem par?metros de grupos funcionais (como no m?todo UNIFAC) s?o necess?rios

Le travail présenté dans cette thèse porte sur le développement de chimie de surface et de biocapteurs pouvant être utilisés dans le milieu hospitalier afin d’améliorer les méthodes de dépistages et de suivi de traitement de diverses maladies et cancers. Les méthodes actuelles de dépistage du cancer reposent principalement sur l’analyse histologique des cellules par des experts dans le domaine. Cela complique la transmission de l’information au patient et retarde le moment où un traitement approprié peut être entamé. Grâce à de nouvelles techniques d’analyses simples et peu coûteuses comme la spectroscopie de résonance des plasmons de surface (SPR), il est possible de développer des tests qui pourront être effectués par le personnel de l’hôpital, en peu de temps et à peu de frais. Afin de pouvoir utiliser la SPR en milieu clinique, une chimie de surface appropriée doit être développée afin d’empêcher les matrices biologiques de masquer le signal des analytes d’intérêt. En effet, qu’il s’agisse de lysat cellulaire, de sérum ou de tout autre fluide biologique, le contenu protéique et lipidique peut s’adsorber de façon non-spécifique aux surfaces d’analyse, compromettant ainsi les résultats obtenus. Afin de pallier ce problème, le développement de chimie de surface a été effectué. Des monocouches de peptides et de liquides ioniques ont été utilisées afin de réduire l’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire non-dilué sur des capteurs SPR. Parmi les peptides, le plus efficace s’est avéré être le 3 MPA (His)2(Leu)2(Phe)2 OH, un peptide chargé positivement formé de 6 acides aminés plutôt hydrophobes. Grâce à cette surface, l’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire a pu être réduite jusqu’à 159 ± 27 ng/cm2, par rapport à 929 ± 186 ng/cm2 sur une surface d’or non protégée. Une étude en spectrométrie de masse a permis de mieux comprendre le phénomène d’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire et de confirmer que ce sont principalement des lipides qui s’adsorbent non-spécifiquement au capteur SPR lorsque celui-ci est exposé à du lysat cellulaire. Malgré la nette amélioration par rapport à un capteur non protégé, le phénomène d’adsorption non-spécifique était encore significativement présent avec les monocouches de peptides. L’adsorption non-spécifique de lysat cellulaire a ensuite été drastiquement réduite grâce aux liquides ioniques hydrophobes et chargés. Le liquide ionique le plus performant a montré une adsorption non-spécifique d’à peine 2 ± 2 ng/cm2. Par la suite, un biocapteur permettant la détection de HER2, un biomarqueur de cancer du sein présent dans environ 30% des cas de cancers du sein agressifs, a été développé. Cela a permis de démontrer que le liquide ionique pouvait être utilisé pour la construction d’un biocapteur, ouvrant ainsi la porte à un large domaine d’analyses en lysat cellulaire. Finalement, les défis de l’analyse SPR avec des échantillons cliniques ont été explorés par le développement d’un biocapteur pour l’anti-asparaginase, permettant de faire le suivi de traitement de patients atteints de leucémie. L’asparaginase est administrée aux patients leucémiques, en combinaison avec plusieurs autres composés chimiothérapiques, afin de combattre ce cancer. Toutefois, plusieurs patients ont une réaction allergique à cette protéine de source bactérienne, mais ne démontrent pas de symptômes physiques. Le biocapteur développé visait donc à détecter les réactions immunitaires des patients afin de modifier leur traitement lorsque cela s’avère nécessaire. Un biocapteur pour la détection de l’anti-asparaginase dans le sérum non-dilué de patients leucémiques a donc été développé. Des échantillons cliniques ont été étudiés et les résultats obtenus pour le nouveau biocapteur SPR ont montré une bonne concordance avec les résultats obtenus en ELISA. / This thesis describes the development of clinical biosensors. These biosensors were developed with the aim of improving diagnostic and treatment monitoring methods. Actual monitoring methods often rely on histological analysis performed by experts. This complicates the transmission of the information to the patient and delays the onset of an appropriate treatment. It is envisioned to develop simple experiments at low cost, which will allow untrained personnel to perform the testing on-site with biosensing technologies such as surface plasmon resonance (SPR). In order to perform SPR in clinical analysis, appropriate surface chemistry must be developed to prevent nonspecific adsorption. Nonspecific adsorption is the fouling of surfaces with biomolecules contained in the sample matrix such as proteins or lipids of biofluids. This leads to false positive signals preventing the correct measurement of the analyte concentration. Peptide and ionic liquid monolayers have been studied in this thesis to prevent nonspecific adsorption of undiluted cell lysate. The most efficient peptide was the 3 MPA (His)2(Leu)2(Phe)2 OH peptide, a 6 amino acids hydrophobic and positively charged peptide. The nonspecific adsorption of cell lysate was reduced to 159 ± 27 ng/cm2, compared to 929 ± 186 ng/cm2 on a bare gold surface. Also, mass spectrometry was performed to better understand the cell lysate nonspecific adsorption phenomenon. This study showed lipids were mostly adsorbed on the sensor when exposed to cell lysate. Despite a significant reduction of nonspecific adsorption with peptides, it remained unoptimal and should be improved. The newly developed hydrophobic and charged ionic liquids nearly eliminated the nonspecific adsorption of undiluted cell lysate, with only 2 ± 2 ng/cm2 of nonspecific material adsorbed on the surface. Then, a biosensor of an aggressive breast cancer biomarker, HER2, was developed. This proved that the ionic liquids could be used in the development of clinical biosensors. Finally, the challenges of the analysis of clinical samples with SPR sensing were explored with the development of an anti-asparaginase biosensor for leukemic patients. Asparaginase is a chemotherapeutic drug administered to patients in combination with various other drugs to treat leukemia. However, many patients suffer from silent allergic reactions due to the bacterial source of this drug. Therefore, a biosensor was developed to detect the antibodies in undiluted serum produced against the drug, which could ultimately serve to modify the patient’s treatment when necessary. Clinical samples from leukemia patients were studied and the results were in good agreement with ELISA experiments.

Die effiziente Speicherung von elektrischer Energie im elektrochemischen System des Superkondensators wird realisiert durch die Ausrichtung von Elektrolytionen im elektrischen Feld polarisierter, poröser Kohlenstoffelektroden. Der Energieinhalt und die Leistungscharakteristika der elektrostatischen Zwischenspeicherung von Energie bei Lade- und Entladezeiten von wenigen Sekunden bis zu einigen Minuten wird entscheidend durch die Eigenschaften der zur Ladungsspeicherung genutzten Grenzfläche zwischen dem Elektrodenmaterial und dem Elektrolyten bestimmt. Für die Optimierung des Energieinhaltes und der Leistungscharakteristika von Superkondensatoren durch die rationale Modifizierung dieser Grenzfläche konnten entscheidende Trends herausgearbeitet werden. Durch Einbindung eines pseudokapazitiven Eisenoxids in die spezifische Oberfläche des mesoporösen CMK-3 im Redoxverfahren ist die Darstellung einer neuartigen Nanokompositstruktur möglich. Diese weißt eine dreifach höhere spezifische Kapazität im Vergleich zur nicht-modifizierten Kohlenstoffoberfläche unter Beibehaltung der Strombelastbarkeit der Kohlenstoffmatrix auf. Entscheidend für die Weiterentwicklung von Synthesestrategien und die anwendungsorientierte Optimierung für Nanokompositstrukturen ist deren ausführliche Charakterisierung mittels angepasster Verfahren. Die in dieser Arbeit erstmals zur Analyse von porösen CMK-3 basierten Nanokompositstrukturen verwendeten Methoden der Aufnahme eines Tiefenprofils mittels Auger Elektronen Spektroskopie (DP-AES) und der energiegefilterten Transmissionselektronenmikroskopie (EF-TEM) lieferten die Grundlage zur Weiterentwicklung der rationalen, nanoskaligen Grenzflächenfunktionalisierung. In einem weiteren, stark vereinfachten und effektiveren Verfahren der Schmelzimprägnierung der porösen Matrix mit Nitrathydraten, sowie deren anschließendes Kalzinieren zum Übergangsmetall, respektive pseudokapazitiven Übergangsmetalloxid, konnte eine nochmals optimierte Nanokompositstruktur dargestellt werden. Das entwickelte Verfahren wurde für die Einbettung von Nickel/Nickeloxid und Eisen/Eisenoxid in die Oberfläche des mesoporösen CMK-3 eingesetzt. Ein gesteigerter Energieinhalt, wie auch eine deutlich gesteigerte Stabilität der Kapazität bei hohen Strombelastungen für die resultierenden Elektrodenmaterialien konnte eindeutig nachgewiesen werden. Die signifikante Erhöhung der Leistungscharakteristika ist dabei auf die optimale Kontaktierung des Übergangsmetalloxids durch das Übergangsmetall als Leitfähigkeitsadditiv im Sinne einer Kern-Schale Struktur realisiert. Der für das Nanokomposit C-FeO10 berechnete Kapazitätsverlust von < 11 % bei Erhöhung der spezifischen Stromstärke von 1 A/g auf 10 A/g verdeutlicht die beeindruckende Strombelastbarkeit des Materials. In einem weiteren in dieser Arbeit diskutierten Ansatz zur Steigerung des Energieinhaltes eines Superkondensators wurde auf die Verwendung von Ionischen Flüssigkeiten (IL) als Elektrolyt eingegangen. Die gezielte Darstellung eines oberflächenmodifizierten aus Cabiden gewonnen Kohlenstoffmaterials (CDC) unter Beibehaltung der Textur des porösen Systems ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Oberflächencharakteristika des Elektrodenmaterials auf die Strombelastbarkeit des Energiespeichers. Es konnte klar herausgestellt werden, dass für den vielversprechenden IL-Elektrolyten EMIBF4 eine verminderte Polarität, sowie die Abwesenheit azider Protonen an der Oberfläche des Kohlenstoffs deutlich zur Steigerung der Strombelastbarkeit des Speichers beiträgt. Realisiert wurde die Modifizierung der Oberfläche durch deren Chlorierung. Die Einordnung der vielversprechenden Kombinationen aus maßgeschneiderten Elektrodenmaterialien und Elektrolytsystemen wurde anhand der Kenngrößen im Ragone-Diagramm vorgenommen. Die Ergebnisse der Arbeit reihen sich in die derzeit schnell voranschreitende Technologieentwicklung bei Superkondensatoren ein.

Ce travail est dédié à l'étude d'écoulement diphasique sous pression en micro et milli-capillaires pour permettre la mesure efficace de propriétés de mélanges sous pression. Dans un premier temps, un montage expérimental comprenant un micro-dispositif pour des applications allant jusqu'à des pressions de 25 MPa a été développé. Ce micro-dispositif à faible coût et transparent, permet la visualisation de l'écoulement grâce à une caméra rapide. Dans un second temps, l'étude du système diphasique du système CO2 supercritique / liquide ionique (1-Butyl-3-Methyl-Imidazolium hexafluorophosphate, [BMIm][PF6]) sous pression est présentée. L'écoulement est réalisé dans des tubes cylindriques de silice de diamètre intérieur de 536 micromètres. Parmi les différents régimes d'écoulements diphasiques, nous nous sommes intéressés aux écoulements périodiques intermittents ou « Taylor flow ». La zone de conditions opératoires couvertes est la suivante : [308 K - 318 K] x [9 MPa - 18 MPa]. Les films de la caméra rapide sont traités par analyse d'image. Le logiciel« μcap2phase » développé pour traiter les films permet d'accéder aux caractéristiques géométriques de l'écoulement (volume et aire de chaque phase, longueur du motif, longueur de la phase dispersée et vitesse de la phase dispersée). Un comportement atypique est observé avec ce binaire. En effet le transfert unidirectionel du CO2SC dans le [BMIm][PF6] induit des changements importants des propriétés physico-chimiques de la phase continue : abaissement de la viscosité (divisée par 10) et augmentation de la masse volumique (multiplié par 1,5). Ces changements impliquent une modification de la forme et de la taille des bulles au cours de l'écoulement. Une importante vitesse de glissement a été identifiée. Elle est générée par la présence d'un film épais de viscosité plus élevée au niveau des parois du capillaire. Un modèle de transfert de matière prenant en compte certaines des observations expérimentales (variations de la taille du film, de la taille des bulles, et des propriétés de la phase continue tout au long du capillaire) a été développé. Ce modèle intégrera dans le futur la tension interfaciale bulle/phase continue et le facteur de forme de la bulle. / The present work deals with the study of two-phase flow in micro-capillaries under high-pressure to enhance properties measurements. As a first step, an experimental setup consisting of a micro-device has been developed for microfluidics high-pressure applications (P < 25 MPa). The set-up combines good optical access, high-pressure resistance, homogeneous operating conditions, fast process control and detection, and the ability to generate a stable two-phase flow. In the following step, we focused our work on the hydrodynamics features of two-phase flow between supercritical carbon dioxide(SC-CO2) and ionic liquid (1-butyl-3-methyl-imidazolium hexafuorophosphate) ([BMIm][PF6]) .The two-phase flow system is observed with a high-speed camera. The flow is conducted in silica capillary tubing with inner diameter of 536 micrometers. Among the two-phase flow patterns, ours relates to Taylor flow. The range of operating conditions are : [308 K - 318 K] x [9 MPa - 18 MPa]. An image analysis home-made soft, « μcap2phase », has been developed in order to access to the geometric properties and to the velocities of the dispersed phase from images. The two-phase flow presents an unexpected behaviour. In fact, the unidirectional transfer of SC-CO2 in [BMIm][PF6] induces significant changes in physico-chemical properties of continous phase : viscosity decreases(divided by ten) and density increases (1.5 fold). Due to the wide variations of the continuous phase properties along the capillary, size and shape of the dispersed phase bubbles are simultaneously modified. A significant slip velocity has been indentified located between a thick liquid film (at the wall of capillary) and a Taylor flow region (at the center). A mass transfer taking into account some experimental observations (changes in film thickness, in bubble size, and in properties of the continuous phase throughout the capillary) is developed. Further, this model will integrate the interfacial tension between bubbles and continous phase.