L'électro-activation (EA) est une approche novatrice qui permet l'isomérisation du lactose en lactulose directement in situ du lactosérum. Cependant, le lactosérum électro-activé (LA-EA) possède un pH hautement alcalin. Alors, l'objectif de ce travail est de contribuer au développement d'un procédé électrolytique pour la neutralisation du LA-EA. La détermination de l'effet des paramètres opératoires et physico-chimiques du milieu électro-activé sur la formation du lactulose a montré qu'un rendement maximum en lactulose de 34,71% est obtenu en utilisant une solution de lactosérum d'une concentration de 7% et 60 min de temps d'électro-activation sous une intensité du courant de 1000 mA après un temps de relaxation de 48 h. Trois configurations électrolytiques ont été étudiées pour la neutralisation de la solution du lactosérum: (1) en neutralisant avec l'anolyte généré dans le compartiment anodique; (2) en inversant les deux électrodes (cathode et anode) et (3) en introduisant le LA-EA dans le compartiment central du réacteur. Les résultats ont montré la faisabilité du processus d'électro-neutralisation. En effet, le pH de la solution a diminué soit en ajoutant des ions H⁺ (cas des configurations 1 et 2), ou en éliminant les ions OH⁻ de la solution (cas de la configuration 3). De plus, il a été révélé que l'électro-neutralisation est ralentie lorsque (I) augmente pour les deux configurations 1 et 2, tandis que pour la configuration 3, elle est accélérée. Les résultats de l'évaluation de l'effet de ce processus sur les propriétés du LA-EA ont montré que la neutralisation de la solution après un temps de relaxation de 48 h n'a pas affecté la composition glucidique du LA-EA, notamment le lactulose. De plus, elle a permis d'améliorer les propriétés techno-fonctionnelles des poudres résultantes en particulier en termes de reconstitution instantanée. / Electro activation (EA) is a novel approach that allows the isomerization of lactose to lactulose in situ from whey. However, electro-activated whey (LA-EA) has a highly alkaline pH. Therefore, the objective of this work is to contribute to the development of an electrolytic process for the neutralization of LA-EA. The determination of the effect of physico-chemical parameters on the formation of lactulose showed that the maximum lactulose yield (34.71%) is obtained for a feed concentration of 7% at 60 min of electro-activation, under a current intensity of 1000 mA after a relaxation time of 48 h. Three electrolytic configurations were studied for neutralization of the whey solution: (1) neutralizing with the anolyte generated at the anode compartment; (2) reversing the two electrodes (cathode and anode) and (3) introducing LA-EA into the central compartment of the reactor. The results showed the feasibility of the electro-neutralization process. Indeed, the pH of the solution decreased either by adding H⁺ ions (case of configurations 1 and 2), or by removing OH⁻ ions from the solution (case of configuration 3). Furthermore, it was revealed that electro-neutralization is slowed down when (I) increases for both configurations 1 and 2, while for configuration 3, it is accelerated. The results of the evaluation of the effect of this process on the properties of LA-EA showed that the neutralization of the solution after a relaxation time of 48 h did not affect the carbohydrate composition of LA-EA, especially lactulose. Moreover, it improved the techno-functional properties of the resulting powder in particular in terms of instant reconstitution.

L'électro-activation (EA) est une approche novatrice qui permet l'isomérisation du lactose en lactulose directement in situ du lactosérum. Cependant, le lactosérum électro-activé (LA-EA) possède un pH hautement alcalin. Alors, l'objectif de ce travail est de contribuer au développement d'un procédé électrolytique pour la neutralisation du LA-EA. La détermination de l'effet des paramètres opératoires et physico-chimiques du milieu électro-activé sur la formation du lactulose a montré qu'un rendement maximum en lactulose de 34,71% est obtenu en utilisant une solution de lactosérum d'une concentration de 7% et 60 min de temps d'électro-activation sous une intensité du courant de 1000 mA après un temps de relaxation de 48 h. Trois configurations électrolytiques ont été étudiées pour la neutralisation de la solution du lactosérum: (1) en neutralisant avec l'anolyte généré dans le compartiment anodique; (2) en inversant les deux électrodes (cathode et anode) et (3) en introduisant le LA-EA dans le compartiment central du réacteur. Les résultats ont montré la faisabilité du processus d'électro-neutralisation. En effet, le pH de la solution a diminué soit en ajoutant des ions H⁺ (cas des configurations 1 et 2), ou en éliminant les ions OH⁻ de la solution (cas de la configuration 3). De plus, il a été révélé que l'électro-neutralisation est ralentie lorsque (I) augmente pour les deux configurations 1 et 2, tandis que pour la configuration 3, elle est accélérée. Les résultats de l'évaluation de l'effet de ce processus sur les propriétés du LA-EA ont montré que la neutralisation de la solution après un temps de relaxation de 48 h n'a pas affecté la composition glucidique du LA-EA, notamment le lactulose. De plus, elle a permis d'améliorer les propriétés techno-fonctionnelles des poudres résultantes en particulier en termes de reconstitution instantanée. / Electro activation (EA) is a novel approach that allows the isomerization of lactose to lactulose in situ from whey. However, electro-activated whey (LA-EA) has a highly alkaline pH. Therefore, the objective of this work is to contribute to the development of an electrolytic process for the neutralization of LA-EA. The determination of the effect of physico-chemical parameters on the formation of lactulose showed that the maximum lactulose yield (34.71%) is obtained for a feed concentration of 7% at 60 min of electro-activation, under a current intensity of 1000 mA after a relaxation time of 48 h. Three electrolytic configurations were studied for neutralization of the whey solution: (1) neutralizing with the anolyte generated at the anode compartment; (2) reversing the two electrodes (cathode and anode) and (3) introducing LA-EA into the central compartment of the reactor. The results showed the feasibility of the electro-neutralization process. Indeed, the pH of the solution decreased either by adding H⁺ ions (case of configurations 1 and 2), or by removing OH⁻ ions from the solution (case of configuration 3). Furthermore, it was revealed that electro-neutralization is slowed down when (I) increases for both configurations 1 and 2, while for configuration 3, it is accelerated. The results of the evaluation of the effect of this process on the properties of LA-EA showed that the neutralization of the solution after a relaxation time of 48 h did not affect the carbohydrate composition of LA-EA, especially lactulose. Moreover, it improved the techno-functional properties of the resulting powder in particular in terms of instant reconstitution.

Ce travail est consacré à l'étude du comportement de la matière condensée soumise à une perturbation via l'isomérisation de molécules sondes photochromes du type azo-benzènes. Une description microscopique de la matière est utilisée de manière à obtenir une meilleure compréhension des processus physiques donnant lieu à la formation des réseaux de relief en surface (SRG) dans ce type de matériaux, processus toujours incompris. L'étude utilise des simulations à l'échelle atomique par dynamique moléculaire hors d'équilibre où l'énergie produite par le processus de photo-isomérisation est absorbée par un thermostat, après sa dégradation thermique à l'intérieur de la matrice hôte. La photoisomérisation est introduite de manière périodique, par une modification continue des photochromes de la forme trans vers la forme cis et inversement. De manière à déterminer l'effet des longueurs de chaînes du polymère hôte, des matrices de degrés de polymérisation variées sont utilisées dans cette étude ainsi que des polymères “vivants” en cours de polymérisation. Une modification des propriétés de transport engendrant des mouvements massifs de matière en dessous de la température de transition vitreuse est observée ainsi qu'une stimulation de la coopérativité intrinsèque de la matrice hôte.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

L’organocatalyse permet l’activation de réactions chimiques diverses et représente une méthode complémentaire à la catalyse métallique ou à la catalyse par les enzymes. Cette stratégie peut être moins toxique et relativement plus accessible, en plus d’être fréquemment économique et écologique. En induisant une intramolécularité temporaire, il est possible de surmonter les pénalités entropiques inhérentes aux réactions intermoléculaires. Les travaux effectués par le groupe de recherche du Pr. Beauchemin ont jusqu’à date permis d’actualiser et d’améliorer des réactions d’hydroamination, d’hydratation d’amino nitriles et d’hydrolyse d’amides organophosphoniques grâce à l’organocatalyse aux aldéhydes simples. Dans cette optique, cette thèse étudie l’application de cette méthodologie dans des réactions d’hydrolyse. Dans un premier temps, les paramètres réactionnels favorisant l’hydrolyse d’α-amino esters furent investigués. Les problèmes de labilité de divers substrats en milieu aqueux furent abordés, de même que les difficultés à effectuer un « turnover » catalytique efficace. Dans un deuxième temps, la mono-hydrolyse de 1-amino diester phosphonique fut étudiée. Les esters d’acide 1-amino phosphoniques suscitent un intérêt en raison de leurs bioactivités diverses, notamment comme analogues d’acides aminés capables d’interactions biologiques avantageuses. Il fut possible d’optimiser plusieurs conditions réactionnelles, de même que d’étendre la portée de cette méthode à la synthèse de dérivés portant des groupements alkyles. Sur un autre ordre d’idées, les hétérocycles azotés font preuve de bioactivités importantes et variées. Conséquemment, leur emploi dans les domaines pharmaceutique et agrochimique est incontournable. Les cycles de type pyrazolone sont particulièrement présents dans des composés pharmaceutiques et dans des insecticides et des herbicides, tandis que les triazolium-olates présentes des activités biologiques intéressantes. Il devient ainsi essentiel de développer des voies polyvalentes, efficaces, peu dispendieuses et plus vertes pour leur synthèse. Des travaux antérieurs du groupe Beauchemin ont élaboré la génération in situ d’isocyanates et d’isothiocyanates N-substitués, des intermédiaires rares dans la littérature. Ils furent utilisés dans des réactions de cycloaddition avec des alcènes et des imines, pour former des azométhine imines. La deuxième partie de cette thèse s’intéresse à la dérivation de ces azométhine imines en dérivés de pyrazolone et en triazolium-olates grâce à une réaction d’isomérisation. Cette approche permet une déconnexion novatrice pour synthétiser directement des hétérocycles riches en azote complexes. L’optimisation de cette réaction fut mise au point et sa portée fut étudiée. Cette méthode s’avère peu dispendieuse, n’emploie aucun catalyseur métallique, ne requière pas de préfonctionnalisation et ne génère pas de sous-produits. Finalement, l’application de cette isomérisation à la résolution cinétique des azométhines imines fut tentée.

L'objectif de la thèse était la préparation et la caractérisation des catalyseurs hétérogènes à base de polyoxométalates. L'étude mécanistique d'oxydation du méthane jusqu'au méthanol a montré que sur des polyoxométalates supportés sur la silice l'activation C-H a lieu déjà à la température ambiante. L'adsorption du méthane-13C sur H4SiMo12O40 supporté, suivie par RMN solide a mis en évidence la création de l'espèce méthoxy [SiMo12O40(CH3)]3-. Le cycle catalytique est complété par l'hydrolyse de cette espèce - méthanol est formé et une molécule de l'eau recrée la structure du départ de polyoxométalate. L'adsorption du méthanol-13C sur des polyoxométalates a montré la création de deux types des espèces methoxy, localisées sur des atomes d'oxygènes terminaux ou pontants est caractérisées par deux signaux RMN distincts - à 58 et 77 ppm, respectivement. En greffant un complexe de platine PtMe2COD sur les sels de césium de polyoxometalates, le dégagement du méthane ou de la mélange du méthane et de l'éthane a été observé et expliqué par la séquence de l'addition oxydative du proton de polyoxometalate au centre métallique, couplage C-H ou C-C et finalement l'élimination réductrice et libération d'une molécule de gaz. Sels d'ammonium de l'acide phosphotungstique H3PW12O40 ont été montrées de catalyser l'isomérisation du n-butane a l'isobutane dans des conditions douces (225°C, 1 atm.). Composé du cuivre Cu(OTf)2 sur la surface des sels inorganiques des polyoxometalates donne des catalyseurs très actifs en insertion des carbènes aux liaisons C-H des éthers cycliques.

Abstract: Owing to the light-induced switching between their trans- and cis-isomers, azobenzenes display a wide range of applications including stimuli-responsive polymers, acid-base indicators, colorful systems, liquid crystals, and bio-medicals. In the past decades, much research on azobenzenes has been carried out and they have become a growing research topic. Particularly, the synthetic methodology of azobenzene derivatives has become mature. However, a general synthetic method of furnishing the bis- and tris-azobenzene compounds in one step is still lacking, and the study of bis-azobenzene is nearly blank including the solution properties and applications. In this thesis, we focus on the design, and preparation of bis-, tris- and small cyclic azobenzene derivatives; followed by a further investigation of their properties in solution. We also explore the preparation and applications of azobenzene-based stimuli-responsive polymeric materials. The first chapter describes an efficient strategy for the synthesis of bis- and tris-azobenzene derivatives. In this synthetic pathway, the bis- and tris-azobenzenes could be obtained in one pot, together with mono-azobenzene side products. By modifying the reaction conditions, the yields of the azobenzene compounds were mainly dependent on the substituents on the phenols and diazonium salts, and the molar ratio of starting materials. Compared with the unsubstituted aniline, the use of anilines with electron-withdrawing groups, leading to electron-deficient diazonium salts, favors the formation of mono-azobenzenes, rather than bis-azobenzenes. Whereas, anilines with electron-donating groups are not efficient during the first step leading to the formation of mono-azobenzene and thus favor the generation of bis-azobenzenes. Large amounts of anilines (over two-fold and three-fold excess), are the best choice to obtain bis- and tris-azobenzenes in good yields. In Chapter 2, we describe a novel method for the cyclization of mono- and bis-azobenzenes without ultraviolet light to form seven-membered heterocycles. The starting materials contain ortho-fluoro atom and ortho-phenol groups on the phenyl rings of the azobenzene systems. The role of the fluoro substituent is twofold. It promotes the stability of the cis-form of the azobenzene and it acts as a leaving group when its carbon atom neighbor is attacked by the phenolate. The nature of solvents was found to have a pronounced effect on the spontaneous cyclization reaction by stabilizing the  intermediate complex. The cyclization rate could be accelerated under the UV irradiation and by using more polar solvents. Due to the competing keto-enol tautomerizations and cyclizations, we observed complicated changes in UV-vis absorption and color of solutions over time. It was revealed that, for ortho-hydroxyl azobenzenes with ortho-fluorine atom in polar solvents, the trans-to-cis isomerization and cyclization happened under daylight, and keto-enol tautomerization occurred in the dark. In Chapter 3, we studied a class of novel dual-responsive (photo- and thermo-) copolymers by modifying Poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) with bis-azobenzene moieties. The copolymers were prepared from a free radical copolymerization of N-isopropylacrylamide (NIPAM) and bis-azobenzenes bearing electron-donating or electron-accepting substituents. It was found that bis-azobenzene moieties could influence the cloud point of aqueous copolymer solution due to the photoisomerization of bis-azobenzenes and the conformation of polymer chain upon the photoreactions. Varying substituents on bis-azobenzene moieties, the copolymer solutions displayed an opposite cloud point shift after the photoreactions of the chromophores. When the substituents on azobenzene have push-pull feature, the polymer chains prefer aggregation after UV irradiation, which decreases the cloud point. By contrast, the cloud point shifts to higher temperature upon UV light irradiation when the bis-azobenzenes bears the donors, which is caused by cis-isomer being more hydrophilic than the trans-isomer. However, the effect of photoisomerization of azobenzene on the cloud point shift appears to be greater on PNIPAM containing mono-azobenzene pendent groups. / En raison de la commutation induite par la lumière entre leurs isomères trans et cis, les azobenzènes affichent une gamme étendue d'applications. On y retrouve des polymères sensibles aux stimuli, des indicateurs acido-basiques, des systèmes colorés, des cristaux liquides et des matériaux aux applications biomédicales. Dans les dernières décennies, de nombreuses recherches sur les azobenzènes ont été menées et ils sont devenues un sujet de plus en plus important. En particulier, la méthodologie de synthèse des dérivés d'azobenzène est devenue mature. Cependant, une méthode synthétique générale pour l’obtention des composés bis- et tris-azobenzène en une seule étape est encore manquante, et l'étude du bis-azobenzène est presque vierge, y compris les propriétés et les applications en solution. Dans cette thèse, nous nous concentrons sur la conception et la préparation de bis-, tris- et de petits dérivés cycliques de l'azobenzène. Ce premier volet est suivi d'une étude plus poussée de leurs propriétés en solution. Nous explorons également la préparation et l'application de matériaux polymères d'azobenzène, réagissant à plusieurs stimulations. Le premier chapitre décrit une stratégie efficace pour la synthèse des dérivés bis- et tris-azobenzène. Dans cette voie de synthèse, les bis- et tris-azobenzènes peuvent être obtenus dans un pot réactionnel, avec des produits secondaires mono-azobenzène. En modifiant les conditions de réaction, les rendements des composés azobenzène dépendent principalement des substituants sur les phénols et les sels de diazonium, et du rapport molaire des produits de départ. Par rapport à l'aniline non substituée, l'utilisation d'anilines avec des groupes électroattracteurs, conduisant à des sels de diazonium déficients en électrons, favorise la formation de monoazobenzènes plutôt que de bis-azobenzènes. En revanche, les anilines à groupements donneurs d'électrons ne sont pas efficaces au cours de la première étape conduisant à la formation de monoazobenzènes et favorisent ainsi la génération de bis-azobenzènes. De grandes quantités d'anilines (excès de plus de deux et trois fois) sont le meilleur choix pour obtenir des bis- et tris-azobenzènes avec de bons rendements. Dans le chapitre 2, nous décrivons une nouvelle méthode de cyclisation des mono- et bis-azobenzènes, sans lumière ultraviolette, pour former des hétérocycles à sept chaînons. Les produits de départ contiennent des groupes ortho-fluoro et orthophénol sur les cycles phényle des systèmes azobenzène. Le rôle du substituant fluoro est double. Il favorise la stabilité de la forme cis de l'azobenzène et agit comme un groupe partant lorsque son atome de carbone voisin est attaqué par le phénolate. La nature des solvants s'est avérée avoir un effet prononcé sur la réaction de cyclisation spontanée en stabilisant le complexe intermédiaire . La vitesse de cyclisation peut être accélérée sous l'irradiation UV et en utilisant des solvants plus polaires. En raison des tautomérisations céto-énol et des cyclisations en compétition, nous avons observé que l’évolution des spectres d'absorption UV-vis et de la couleur des solutions au fil du temps était compliqué. Il a été révélé que, pour les ortho-hydroxyl azobenzènes avec un atome d'ortho-fluor dans les solvants polaires, l'isomérisation et la cyclisation trans-cis se produisaient à la lumière du jour et que la tautomérisation céto-énol se produisait dans l'obscurité. Dans le chapitre 3, nous avons étudié une classe de nouveaux copolymères biosensibles (photo- et thermo-) en modifiant le poly(N-isopropylacrylamide) (PNIPAM) avec des portions bis-azobenzène. Les copolymères ont été préparés à partir d'une copolymérisation radicalaire de N-isopropylacrylamide (NIPAM) et de bis-azobenzènes portant des substituants donneurs ou accepteurs d'électrons. Il a été constaté que les fragments bis-azobenzène pouvaient influencer le point de trouble de la solution aqueuse de copolymère en raison de la photoisomérisation des bis-azobenzènes et de la conformation de la chaîne polymère lors des photoréactions. En changeant les substituants sur les fragments bis-azobenzène, les solutions de copolymères présentaient un décalage du point de trouble opposé après les photoréactions des chromophores. Lorsque les substituants sur l'azobenzène ont une influence «push-pull», les chaînes polymères préfèrent l'agrégation après l'irradiation UV, ce qui diminue le point de trouble. En revanche, le point de trouble passe à une température plus élevée lors de l'irradiation par la lumière UV lorsque les bis-azobenzènes portent des donneurs, ce qui est dû au fait que l'isomère cis est plus hydrophile que l'isomère trans. Cependant, l'effet de la photo-isomérisation de l'azobenzène sur le décalage du point de trouble semble être plus important sur les groupes pendants mono-azobenzène contenant du PNIPAM.

La cristallinité d’un matériau peut largement influencer les propriétés de ce dernier, notamment la résistance mécanique, chimique et thermique. Au cours des dernières années, le groupe de recherche de Josée Brisson a étudié les processus de cristallisation avec un système de copolymères rigides-flexibles. Cette approche a pour but d’induire à la fois une flexibilité dans la chaîne pour faciliter le repliement à des endroits précis et une rigidité pour favoriser les interactions favorables à la cristallisation. Cette approche a permis notamment d’étudier les processus de cristallisation et de faire cristalliser un dérivé du poly(éthersulfone) (PES) qui nécessite généralement des conditions rigoureuses. Le présent projet portera sur l’utilisation d’un comonomère azobenzène pouvant se photo-isomériser sous irradiation lumineuse pour induire une flexion dans la chaîne et étudier si le changement de conformation peut influencer la cristallisation du polymère.

Dans le présent travail, l’électro-isomérisation du lactose en lactulose a été étudiée. Les variables indépendantes mises à l’étude dans ce projet sont : 1) l’effet de la concentration du lactose (5 et 10%), l’effet de la densité du champ électrique appliqué au réacteur d’électro-activation (100 et 200 mA). L’électro-isomérisation du lactose à 5% a été également comparée à celle observée dans du lactosérum ayant une concentration de lactose ≈ 5%. Les variables réponse principales (variables dépendantes) mises à l’étude étaient le taux de conversion du lactose en lactulose, le taux de formation de sous-produits de la réaction et l'efficacité du procédé exprimée en termes de résistance électrique globale du système d’électro-activation. Une surface totale de l’aire cathodique de 21,5 cm2 a été utilisée, donnant ainsi des densités de courant électrique de 4,65 et 9,30 mA/cm2, respectivement. Les analyses statistiques des données obtenues ont montré que l’effet du temps d’électro-activation sur le taux d’électro-isomérisation du lactose (rendement de formation de lactulose) ainsi que la résistance électrique du réacteur électro-activation était significatif. Le processus d’électro-activation a été réalisé pendant 60 min et des échantillons ont été prélevés chaque 10 min. Les résultats obtenus ont montré la grande efficacité de l'électro-activation, en tant qu’approche novatrice, pour transformer le lactose en lactulose. Après 60 min d’électro-activation à température ambiante (23 +/- 1 °C), 25% de rendement d’électro-isomérisation a été obtenu. En excluant le lactose, la pureté du produit final était de 96,28 +/- 0,18%. En outre, aucune formation d’epilactose n’a été observée. De façon non systématique, du galactose a été détecté dans certains échantillons (< 1,5%) et seulement quelques traces de fructose ont été observées (< 0,31%). La résistance électrique globale du réacteur d’électro-activation diminuait avec l’augmentation du temps d'électro-activation, indiquant une grande efficacité énergétique de cette nouvelle technologie d’isomérisation du lactose en lactulose. / In the present work, electro-isomerization of lactose into lactulose has been studied. Effects of lactose concentration (5 and 10%) and applied DC-electric field (100 and 200 mA) on the electro-isomerization of lactose into lactulose and on process efficiency were investigated. Total cathode area of 21.5 cm2 was used; giving electric current density of 4.65 mA/cm2 and 9.30 mA/cm2, respectively. Milk whey permeate (4.7 +/- 0.15% lactose) obtained by ultrafiltration was also used as feed solution in the electro-activation reactor. The effect of processing time on lactose electro-isomerization rate (lactulose formation yield), by-product (glucose, galactose, epilactose and fructose) formation, and global electric resistance of the electro-activation reactor has been investigated. The process was run during 60 min and samples were taken every 10 min. Obtained results showed the high effectiveness of the developed electro-activation technology to convert lactose into lactulose. After 60 min electro-activation at ambient temperature (23 +/- 1 °C), 25% electro-isomerisation yield was obtained. By excluding lactose, the end product purity was 96.28 +/- 0.18%, which is similar to the pharmakopoeia requirements for lactulose powder. Moreover, no epilactose was formed. Not systematically, galactose was detected in some samples (< 1.5%) and only some traces of fructose were detected (< 0.31%). The global electric resistance of the electro-activation reactor decreased as the electro-activation time was increased indicating the high energetic effectiveness of this new electro-isomerization technology.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.