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Thesis (Ph.D.) -- McMaster University, 2001. / Includes bibliographical references. Also available via World Wide Web.

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Hemisynthèse stéréosélective d’acides aminés hétérosubstitués sur la chaîne latérale.Applications au radio-fluoromarquage pour l’imagerie de peptides.Ce travail de thèse, qui a été réalisé à l’Institut de Chimie Moléculaire de l’Université de Bourgogne et en collaboration avec l’Institut de Neuroscience Cognitives et Intégrative d’Aquitaine, porte sur la mise au point de nouvelles méthodes de synthèse d’acides aminés hétérosubstitués sur la chaine latérale par des groupements phosphorés ou silylés, ainsi que sur leurs applications. Dans une première partie, la synthèse d’acides aminés silylés sur la chaine latérale est réalisée sans racémisation par réaction de Wittig entre un sel de phosphonium, dérivé d’acide L-aspartique, avec un aldéhyde aromatique porteur du groupement silylé. Ces acides aminés ont été utilisés en synthèse peptidique pour donner des di- et tripeptides silylés par réaction avec des dérivés d’alanine et de phénylalanine. Il a été montré que les acides aminés et peptides silylés pouvaient être fluorés par réaction avec des fluorures, et que dans le cas de dérivés di-t-butylsilylés, les composés fluorés obtenus se révèlent d’une très grande stabilité à pH physiologique. L’étude de la fluoration des peptides di-t-butylsilylés par K18F/K222 a permis d’obtenir les dérivés radiomarqués avec des rendements radiochimiques et des activités molaires atteignant respectivement 39% et 410 GBq.mmol-1. Dans la seconde partie, la synthèse d’acides aminés et peptides hétérosubstitués ou fonctionnalisés sur la chaine latérale, a été mise au point. Le principe de cette synthèse repose sur une cycloaddition [3+2] entre un acide aminé porteur d’un groupement azido avec un alcyne disubstitué. Alors que la réaction par catalyse avec un sel de cuivre ou un complexe de ruthénium ne conduit pas aux produits recherchés, la cycloaddition a été mise au point sous microondes en utilisant le glycérol comme solvant. Dans ces conditions, 13 nouveaux acides aminés porteurs d’un noyau triazole en position γ, et des substituants silylés, phosphorés, amines, amides …ont été préparés sans racémisation et ce avec des rendements atteignant 89%. Les méthodologies mises au point dans ce travail de thèse offrent de nouvelles voies pour la synthèse de dérivés acides aminés silylés ou phosphorés utiles pour la chimie de coordination, la catalyse asymétrique et pour le radiomarquage par les ions fluorure 18F-.Mots clés : Phosphoniums, acides aminés, silanes ; [18F]-radiofluoration, triazoles. / Stereoselective hemisynthesis of lateral chain heterosubstituted aminoacids.Applications on radiofluorolabeling for peptide imaging.This thesis work, which was carried out at the Institute of Molecular Chemistry of the University of Burgundy and in collaboration with the Institute of Cognitive and Integrative Neurosciences of Aquitaine, focuses on the development of new methods for the synthesis of side chain heterosubstituted amino acids including phosphine containing or silyl groups, as well as on their applications. In a first part, the synthesis of side chain silylated amino acids is achieved without racemization using a key Wittig reaction between a phosphonium salt, derived from L-aspartic acid, and an aromatic aldehyde bearing the silyl group. These aminoacids have been used in peptide synthesis to give silylated di- and tripeptides by reaction with alanine and phenylalanine derivatives. It has been shown that the silylated aminoacids and peptides can be fluorinated by reaction with fluorides, and that in the case of di-t-butylsilyl derivatives, the fluorinated compounds obtained are found to be very stable at physiological pH. The study of the fluorination of di-t-butylsilyl peptides by K18F / K222 allowed to obtain radiolabelled derivatives with radiochemical yields and molar activities reaching 39% and 410 GBq.mol-1, respectively. In the second part, the synthesis of aminoacids and peptides heterosubstituted or functionalized on the side chain, was developed. The principle of this synthesis is based on a [3 + 2] cycloaddition between an aminoacid bearing an azido group with disubstituted alkyne. While the reaction catalyzed using a copper salt or a ruthenium complex does not lead to the desired products, the cycloaddition was developed under microwave irradiation using glycerol as a solvent. Under these conditions, 13 new amino acids carrying a triazole ring at the γ position, and bearing silyles, phosphines, amines, amides.. substituents were prepared without racemization and with yields up to 89%. The methodologies developed in this thesis offer new efficient ways for the synthesis of silyl or phosphorus amino acid derivatives, useful for coordination chemistry, asymmetric catalysis and radiolabeling by the fluoride ion18F-.Key words: Phosphoniums, aminoacids, silanes, [18F]-radiofluorination, triazoles

Dans le monde actuel, le dioxyde de carbone (CO2) est le déchet majoritaire issu de l’utilisation des ressources fossiles mais il est encore peu utilisé dans les applications à grande échelle. Afin de tirer parti de son abondance, le développement de nouvelles transformations chimiques du CO2 pour accéder à des produits de chimie fine connait un intérêt croissant au sein de la communauté scientifique. Tout particulièrement, la formation de liaison(s) C-N à partir du CO2 et d’un substrat azotés permet d’accéder à des produits à hautes valeurs énergétiques et commerciales. Un second type de transformation désirable est la formation de liaison C-C à partir du CO2 afin de synthétiser des dérivés d’acides carboxyliques comme des esters. L’utilisation d’hydrosilanes, réducteurs doux, permet de travailler sous 1 bar de CO2 avec des catalyseurs à base de métaux peu coûteux et abondants tels que le fer et le zinc ou bien avec des organocatalyseurs. Les synthèses de formamides, de méthylamines ou d’aminals à partir du CO2 ont ainsi été développées par hydrosilylation. Enfin, la carboxylation des carbosilanes à partir du CO2 a été développée pour la première fois avec un catalyseur à base de cuivre. Dans le cas des 2-pyridylsilanes, l’utilisation de sels de fluorures pentavalents permet d’activer le substrat efficacement sans catalyseur. / In the current world, carbon dioxide (CO2) is the major waste of the massive utilization of fossil resources but only few applications have been developed using this compound. In order to take advantage of its abundancy, the development of novel chemical transformation of CO2 to produce fine chemicals is of high interest in the scientific community. In particular, the formation of C-N bond(s) from CO2 and amine compounds unlocks a new way to access high energy and value-added. A second type of highly desirable transformation is the formation of C-C bonds with CO2 so as to synthesize carboxylic acid derivatives. The utilization of hydrosilanes as mild reductants allows the reactions to proceed under 1 bar of CO2 with abundant and cheap metal-based catalysts (iron, zinc) or with organocatalysts. The synthesis of formamides, methylamines and aminals from CO2 are described herein. Ultimately, the catalytic carboxylation of carbosilanes has been achieved for the first time using copper-based complexes. In the specific case of 2-pyridylsilanes, the use of pentavalent fluoride salts allowed us to perform the reaction without catalyst.

Ce manuscrit de thèse traite de la modification de fibres de cellulose, en solutions purement aqueuses, par les organosilanes. Les réactions en phase aqueuse de silanes portants différents groupements chimiques réactifs ont été évaluées in-situ par spectrométrie par résonance magnétique nucléaire et l'influence de divers paramètres (pH, concentration, température) a été étudiée. Les aminosilanes se sont montrés particulièrement adaptés à l'utilisation en conditions correspondant à celles couramment utilisées dans le procédé papetier. En outre, l'adsorption des agents chimiques les plus prometteurs sur des surfaces modèles de cellulose a été testée par la technique microbalance à quartz, en fonction des mêmes paramètres. Cette étude a montré qu'une bonne couverture de la surface est atteinte avec des cinétiques de quelques minutes, et a été suivie d'une légère adsorption continue dans le temps. La nature des interactions entre divers silanes et la cellulose a été testée, et a révélé que le greffage, réalisé avec succès dans ce travail, relève d'interactions fortes. Enfin, deux types de fibres (résineux et feuillus) ont été utilisés afin de mesurer le potentiel d'utilisation des organosilanes pour répondre à une problématique industrielle impliquant les propriétés mécaniques du papier et sa douceur. Des résultats mitigés ont été obtenus, bien que le succès du procédé de greffage ait été avéré pour les différentes fibres. / This dissertation describes the chemical modification of cellulosic fibers by organosilanes. The reactions of silanes bearing various functional groups were carried out in pure aqueous solution and followed in-situ by nuclear magnetic resonance spectrometry. The effect of pH, concentration, and temperature on the reaction kinetics was studied. Aminosilanes could be processed in conditions similar to those commonly used in the papermaking. Furthermore, the adsorption of the most promising grafting agents on model cellulose surfaces was investigated by mean of a quartz crystal microbalance, and the effect of the same parameters was evaluated. This study showed that a good surface coverage is attained rapidly, i.e., within only a few minutes. Then, a slower but continuous adsorption was observed over time. The nature of the interactions between various silanes and cellulose was tested. It was shown that the grafting was successfully performed, thus giving rise to the formation of strong interactions between the adsorbate and the adsorbent. Finally, two types of fibers (softwood and hardwood) were used in order to evaluate the effect of organosilanes on mechanical properties and the softness of paper. The results obtained showed quite modest effects, even though the success of the grafting was assessed on both type of fibers.

Aujourd'hui le béton est l'option la plus attrayante pour le secteur de la construction. Ceci est du au fait que le béton est un matériau peu couteux et que sa fabrication nécessite peu d'énergie et a un faible impact environnemental En outre, les structures en béton sont durables et performantes mais le béton nécessite d’être associé à des armatures d’acier, car le il présente une faible résistance à la traction.Du point de vue de la chimie, le point faible provient de l’origine de la cohésion du ciment utilisé pour la fabrication du béton. Des expériences à l’échelle nanométrique et des simulations numériques ont montré que la cohésion de la pâte de ciment résulte de forces de courte portée qui s'exercent entre les surfaces de silicates de calcium hydratés (C-S-H) dans la solution interstitielle.Cette thèse explore l'ingénierie de la liaison entre les grains de ciment en vue d'améliorer les propriétés mécaniques des matériaux cimentaires. Nous visons à introduire en plus de celles déjà existantes, des forces de cohésion à longue portée entre les grains à l’aide de liaisons chimiques pour conduire à une augmentation de la résistance à la traction et de la ténacité. La stratégie choisie a été de greffer différents silanes organo-fonctionels sur le ciment anhydre. Deux méthodes possibles de silanisation ont été étudiées et les produits modifiés ont été caractérisés.La première méthode a consisté à mélanger directement la poudre de ciment avec les silanes. Il a été montré que, ce faisant, pâtes de ciment et de mortiers présentent une maniabilité améliorée. En outre, il a été observé que les silanes influent fortement l'hydratation, principalement en retardant l'hydratation des silicates et en réduisant leur degré d'hydratation. En conséquence, une perte sévère de résistance a été constatée dans tous les tests mécaniques standards effectués. Ceci est lié à la dose excessive de silane incorporée au ciment pour atteindre l'homogénéité du mélange au cours de l’hybridation.Une deuxième méthode de silanisation a été développée afin de permettre la diminution du dosage des silanes en gagnant en homogénéité. Elle consiste à mélanger le ciment dans une solution de silane dans un solvant non aqueux. Cette méthode à permis en outre d’obtenir des données quantitatives relatives à l’adsorption des silanes utiles à une meilleure compréhension des interactions silane-ciment. Elles constituent en effet des moyens indirects aidant à caractériser les substrats modifiés. Il a été constaté que les interactions silane-ciment dépendent fortement du type de solvant utilisé. La couverture de la surface a également été calculée et est loin d'être une monocouche. Elle est constituée d’espèces chimiquement et physiquement adsorbées qui influencent les propriétés des ciments modifiés.En termes de vitesse d'hydratation, les plus forts effets de ralentissement sur l’hydratation des silicates sont toujours associés aux silanes affichant une plus faible affinité avec la surface, mais fortes de liaisons avec cette dernière. En termes de rhéologie, tous les silanes améliorent grandement la capacité des pâtes à résister à une charge au-dessus de la limite élastique. Il en résulte une augmentation de résistance à la flexion jusqu'à 35% par rapport au ciment pur. / Nowadays concrete is the most attractive option for the construction sector. This is because concrete itself is a low cost, low energy and low environmental impact material. Moreover, concrete structures are very durable and high load bearing. This is achieved by incorporating steel, because concrete itself is a very low tensile strength material. Chemically, the weakness originates in the cohesive nature of cement used for concrete making. Nanoscale experimental investigations and numerical simulations showed that cohesion of cement paste is caused by short range surface forces acting between calcium silicate hydrates (C-S-H) in the interstitial solution. This thesis addresses the possibility of engineering the bonding between hydrates in order to tune the mechanical properties of cementitious materials. We aim at introducing long range cohesion forces between hydrates in addition to the existing ones. This should potentially lead to an increase in strength and toughness. The strategy chosen was to hybridize the cement prior to hydration with organofunctional silanes. Two possible methods of silanization were investigated and the modified products have been characterized. The first method consisted in dry blending cement powder to silanes. It is shown that by doing so, cement pastes and mortars exhibit improved workability. In addition, we have observed that silane agents strongly affect the hydration kinetics, mainly by retarding the hydration of silicates and reducing their degree of hydration. As a consequence, severe strength loss was evidenced in all standard mechanical tests. This was related to excessive dosage of silane to cement imposed to reach good mix homogeneity during hybridization.A second silanization methodology was developed in order to allow diminishing the dosage of silane without facing inhomogeneity mix issues. It is shown that by adsorbing silane from organic solvents we gain a better understanding of silane-cement interactions. In addition, the adsorption data provide indirect means to help characterize the modified substrates. It was found that silane-cement interactions strongly depend on the type of the solvent used as vehicle media. The surface coverage has also been calculated and is far from being monolayer because both chemically bonded and physically adsorbed species are assumed to be present. This further influences the properties of the modified cements. In terms of hydration kinetics, stronger retarding effects of silicates hydration are always associated to silanes displaying lower surface affinity, but stronger surface bonding. In terms of rheology, all silanes greatly improved the ability of pastes to withstand load above the critical deformation. This results in increased bending strength by up to 35% compared to neat cement.

The durability of concrete structures is affected by a number of factors such as environmental exposure, electrochemical reactions, mechanical loading, impact damage and others. Of all of these, corrosion of the reinforcement is probably the main cause for the deterioration of steel reinforced concrete (RC) structures. Corrosion management is becoming increasingly necessary as a result of the growing number of ageing infrastructure assets (e.g. bridges, tunnels etc.) and the increased requirement for unplanned maintenance in order to keep these structures operational throughout their design life (and commonly, beyond). The main RC repair, refurbishment and rehabilitation approaches generally employed can be broadly categorised under a) conventional, b) surface treatments, c) electrochemical treatments and d) design solutions. The overarching aim of this research was to identify the key corrosion management techniques and undertake empirical investigations focused on full-scale RC structures to investigate their long-term performance. To achieve this, individual research packages were identified from the above broad five approaches for repair, replacement and rehabilitation. These were 1) Patch repairs and incipient anodes, 2) Impressed Current Cathodic Protection, 3) Galvanic Cathodic Protection and 4) Hydrophobic treatments. The selection of the above research packages was based on past and present use by the construction industry to repair, refurbish and rehabilitate RC structures. Their contributions may be broadly categorised as i) Investigations on how specific treatments and materials perform, ii) Investigations on the effectiveness of existing methods of measurements and developing alternatives, iii) Changes to the existing theory of corrosion initiation and arrest and iv) Changes to management framework strategies. The key findings from each research package can be summarised as follows: Macrocell activity appears to be a consequence rather than a cause of incipient anode formation in repaired concrete structures, as has previously been presented; ICCP has persistent protective effects even after interruption of the protective current; Discrete galvanic anodes installed in the parent concrete surrounding the patch repair are a feasible alternative to galvanic anodes embedded within the patch repairs of RC structures; Silanes may have a residual hydrophobic effect even after 20 years of service.

This dissertation addresses three research areas in the sol-gel synthesis of functionalmaterials. The first is the kinetics of hydrolysis and condensation of variousorganoalkoxysilanes. Two mathematical models are developed for the sol-gel reaction inbasic conditions with and without nearest-neighbor effects. Effects on reactivity aremeasured with systematic changes in the organic group structure. Replacing onemethoxy group on the precursor with a methyl group decelerates hydrolysis under basicconditions, but accelerates condensation under acidic conditions. Replacing two methylfunctionalprecursors with one ethylene-bridged precursor accelerates hydrolysis in base,but decelerates condensation in acid. Replacing an ethylene bridge with a hexylenebridge always decelerates the sol-gel reactions. Adding an amine into the hexylenebridge always accelerates the sol-gel reactions. These trends show inductive effectsplaying a role only under basic conditions, while steric effects play a role at all pHvalues. The second topic of this thesis is the synthesis of organic-inorganic materialswith bridging or non-bridging organics. The structure of the organic-inorganic hybrids ispartially correlated with the kinetics of the precursors, but the trends indicate anadditional structural role of siloxane cyclization. The third topic of this thesis is thesynthesis of surfactant-templated nanoporous particles. The key to preparing orderedhybrid materials is found to be encouraging aggregation with a surfactant whilediscouraging random condensation of silanes independent of the surfactants. Ahomologous series of cationic pyridinium chloride fluorinated surfactants with varyingchain length are used as pore templates. Typical pore structures such as hexagonal closepackedcylinders are synthesized, as well as new pore structures including random meshphase pores and vesicular silica particles with bilayer or multilayer shells.Fluorosurfactants enable the formation of unusually small pores (1.6 nm) and poresformed from discs or bilayers. In the presence of ethanol, spherical particles with radiallyoriented pores are shown by TEM to form by precipitation of disordered silica-surfactantparticles followed by assembly into organized structures. High-capacity hollow particleswith ordered mesoporous shells are prepared by dual latex / surfactant templating.Finally, we load amine-functionalized mesoporous silica with highly dispersedsuperparamagnetic iron oxide nanoparticles.