This thesis explores the surface assembly of mechanically interlocked molecular architectures at gold surfaces for potential applications in molecular switches, anion sensing and stimuli (redox and optical) responsive molecular films. <b>Chapter One</b> introduces the field of mechanically interlocked molecules focusing on rotaxane and catenane surface assemblies in the form of single molecule thick self-assembled monolayers. A review of the surface-attached characteristics of mechanically interlocked molecules is given before exploring specific anion template directed strategies for their construction. The potential to incorporate both redox-active and optically-active functional groups within these mechanically interlocked molecules is also discussed. <b>Chapter Two</b> provides the experimental details and procedures employed in this thesis to characterise the molecular systems under investigation. <b>Chapter Three</b> introduces several surface characterisation techniques such as; ellipsometry, contact angle, X-ray reflectivity and X-ray photoelectron spectroscopy, with a particular focus of applying these tools to probe the surface co-conformation of switchable and interlocked molecules at surfaces. Electroanalytical techniques such as cyclic voltammetry, chronoamperometry and electrical impedance spectroscopy are also introduced. <b>Chapter Four</b> details the surface assembly of a series of ferrocene containing anion templated catenane self-assembled monolayers on gold. Detailed electrochemical and angle resolved X- ray photoelectron spectroscopy characterisation elucidates the co-conformation upon surface attachment. <b>Chapter Five</b> details the anion templated surface assembly of a redox-active rotaxane self- assembled monolayer on gold. Subsequent electroanalysis and X-ray photoelectron spectroscopy characterisation confirms the structural integrity of the film and a possible co- conformation at the surface is discussed. <b>Chapter Six</b> describes efforts towards constructing optically responsive hybrid d-f lanthanide containing mechanically interlocked molecules. Initial work focuses on switching characteristics of a redox switchable antennae and its ability to modulate the luminescence of a series of lanthanide complexes in solution. Subsequent surface attachment of the lanthanide complexes in the form of emissive self-assembled monolayers is also investigated.

En raison de la miniaturisation des dispositifs pour semi-conducteurs, le caractère aléatoire de la distribution de dopants dans un dispositif devient un paramètre critique pour les performances de ce dernier. Le but de ce travail est de valider une stratégie de dopage du silicium par un positionnement contrôlé de molécules, alternatif aux implantations, afin de limiter la variabilité de la tension de seuil. Nous avons choisi de contrôler la densité des sites et le positionnement des dopants en combinant le contrôle de la densité des sites d'ancrage et l'utilisation de molécules à fort encombrement stérique. Ceci a été réalisé en étudiant dans un premier temps le greffage de bore sur les silanols de silice amorphe partiellement traitée en température, à partir de molécules porteuses présentant des ligands de différentes tailles et des symétries ; le modèle de greffage a pu être déterminé en utilisant différentes techniques analytiques (IR-DRIFT, multi-core SSRMN et analyses élémentaires). L’élimination des ligands par un traitement thermique a permis de réaliser la fixation du Bore sur la silice avec un rendement supérieur à 96%. Cette méthode a été transférée avec succès à des wafers de silicium recouverts de silice native. Le recuit à haute température permettant la redistribution du bore dans le silicium a été ensuite validée par l’analyse VPD-ICPMS de l’oxyde greffé couplées aux mesures de profil de dopant dans le silicium obtenues par TofSIMS. Ce traitement a conduit à définir un procédé optimal par greffage sur silice mince, donnant des concentrations de dopant dans le silicium équivalentes à celles rapportées par la littérature sur silicium désoxydé, et sans passivation additionnelle de silice pour éviter la volatilisation du Bore greffé. En effet, la taille des ligands permet de contrôler la volatilisation du bore pendant recuit. Les analyses électriques par spectroscopie à effet tunnel ont confirmé l’activation électrique du dopant apporté par greffage et diffusé dans le silicium / With the everlasting shrinking of semiconductor devices, the randomness of dopant distribution within a device becomes more likely to critically impact the performance of the latter. The aim of this work is to validate a silicon doping strategy through a controlled positioning of molecules in place of conventional implantations in order to limit the variability of the threshold tension. In contrast to previous works, doping atoms were directly grafted onto a thin silica layer and not onto a bare silicon surface. Here, we chose to control both site density and positioning by combining the control of site anchoring density and the use of sterically hindered molecules to yield a finely structured doped surface. This was carried out by first optimizing this approach by studying the grafting of boron compounds with ligands of various sizes and symmetries on the surface silanols of non - porous amorphous silica partially treated at high temperatures (700 °C) as a model system. This allowed obtaining a fully characterization of surface species through combined analytical techniques (IR-DRIFT, solidstate multi-core NMR and elemental analyses). The ligands were then eliminated by a thermal treatment, yielding surface boronic acids characterized by IR-DRIFT and NMR with optimal density (> 96%, 6.7*1013 B.cm-²). This technology was then successfully transferred to silicon wafers covered with native silica as evidenced by ICPMS analyses of the grafted oxide layer removed in HF droplet (VPD). Subsequent high temperature annealing step without capping in order to trigger diffusion of boron was then validated on silicon wafers using ICPMS in HF-dipped oxide and in silicon by TofSIMS profile measurements. Such treatment led to a dopant concentration in the silicon matrix equivalent to that reported in the literature (e.g. direct grafting on silicon and cap during annealing). Electrical analyses by tunnel spectroscopy showed the efficiency of the annealing step and confirmed the dopant amount in the surface layer of the silicon wafer

Ce travail de thèse s’inscrit dans un projet plus large qui vise à développer avec le laboratoire Ampère et l’Etablissement Français du Sang un microsystème capable de réaliser un phénotypage plaquettaire pour le diagnostic de la thrombopénie néonatale. Ce microsystème doit permettre d’isoler les plaquettes du sang total et de détecter les antigènes plaquettaires présents à leur surface. L’isolation des plaquettes se fera grâce à un module de magnétophorèse et un module de diélectrophorèse. La détection sera électrochimique. Le cœur de ce travail de thèse a donc consisté à développer des nanoparticules magnétiques pour le module de magnétophorèse. Ces nanoparticules doivent permettre la capture spécifique des plaquettes et servir de marqueur pour la détection électrochimique. Pour ce faire, des nanoparticules magnétiques ont donc été doublement fonctionnalisées en une seule étape avec un anticorps anti-CD32 dirigé contre l’antigène CD32 présent à la surface des plaquettes et avec une molécule électroactive. Après optimisation des différents paramètres de greffage, les propriétés électrochimiques de ces particules ont été caractérisées. Leurs propriétés de bioreconnaissance ont été testées sur l’antigène purifié puis sur plaquettes entières. Enfin la faisabilité de la manipulation des structures nanoparticules/plaquettes par magnétophorèse avec des micro-aimants a été démontrée. / Fetal/neonatal alloimmune thrombocytopenia (F/NAIT) represents a great threat to new-borns or fetus. It occurs when a woman becomes alloimmunized against fetal platelet antigens. With the aim to improve fetal and neonatal survival, in collaboration with Ampere Laboratory and Etablissement Français du Sang, we plan at developing a Point-of-Care (POC) platform for platelet phenotyping. The final POC microsystem will be able to perform magnetophoresis and dielectrophoresis for platelets isolation from whole blood, and their selective electrochemical detection allowing for their phenotyping. The development of nanoparticles (NPs) with magnetic, electrochemical and bio-selection properties is a key issue. Herein, we have focused on the elaboration of magnetic NPs bearing 1) anti-CD32 antibody for specific interaction with CD32 antigen, which is present at the surface of platelets and 2) ferrocene carboxylic acid, an electroactive molecule for detection. To achieve this, the coupling reactions of this electroactive molecule and this antibody were optimized and a one-pot reaction for double functionalization was developed. The bioactivity of the immobilized antibody was tested at the molecular and cellular level. The dual-functionalized NPs voltammetric signals were also investigated. Finally the feasibility of platelets capture and actuation by magnetophoresis with micro-magnet array were demonstrated.

Dans le traitement du cancer, l'utilisation de nanoparticules comme vecteurs de molécules thérapeutiques est de plus en plus étudiée dans le but de limiter les effets secondaires toxiques dus à l'administration systémique de molécules thérapeutiques libres. En effet, de par leur taille, les nanoparticules sont capables de s'accumuler de façon plus importante dans les tumeurs que dans les tissus sains. Fonctionnalisées avec des agents de ciblage spécifiques des cellules cancéreuses, leur accumulation dans les tumeurs peut être optimisée. Les nanoparticules de silicium poreux sont particulièrement intéressantes pour des applications biomédicales car elles sont biocompatibles et biodégradables in vivo. Elles possèdent également des propriétés physico-chimiques et photophysiques intéressantes, telles que leurs propriétés texturales, leur photoluminescence intrinsèque et leur capacité à produire de 1O2. L'objectif de cette thèse a été d'étudier le potentiel de nanoparticules de silicium poreux fonctionnalisées pour la thérapie photodynamique, et comme vecteur d'agent de chimiothérapie. Dans un premier temps, la préparation et la caractérisation physico-chimique des nanoparticules de silicium poreux a été réalisée. Les nanoparticules ont ensuite été fonctionnalisées avec un agent de ciblage, le mannose, et des molécules photosensibilisatrices, des porphyrines. Leur utilisation en imagerie et en thérapie photodynamique du cancer avec une excitation mono- ou biphotonique a été montrée in vitro sur des cellules de cancer du sein. Une autre étude a porté sur la vectorisation d'un agent anti-cancéreux hydrophobe, la camptothécine, par des nanoparticules de silicium poreux fonctionnalisées avec des anticorps pour le ciblage de cellules de glioblastome, de neuroblatome et de lymphocytes. Enfin, une étude plus fondamentale de caractérisation de la texture interne du silicium poreux combinant expérience et modélisation moléculaire est présentée. / In cancer therapy, the use of nanoparticles as drug nanovectors is intensively studied in order to overcome the toxic side effects due to the systemic administration of the anti-cancer molecules. Indeed, because of their size, nanoparticles tend to accumulate in tumor cells more importantly than in healthy cells. When functionalized with targeting agents specific to cancer cells, their accumulation in tumors can be optimized. Porous silicon nanoparticles are particularly interesting for biomedical applications because they are biocompatible and biodegradable in vivo. They also have interesting physico-chemical and photochemical properties, such as their textural properties, their intrinsic photoluminescence and their ability to produce 1O2. The goal of this thesis was to study the potential of functionalized porous silicon nanoparticles for photodynamic therapy, and as nanovectors for chemotherapeutic agents. In this purpose, we first studied the preparation and the physico-chemical characterization of the porous silicon nanoparticles. Then, the nanoparticles were functionalized with a targeting agent, mannose, and porphyrin photosensitizers. Their use in imaging and in photodynamic therapy of cancer under 1-photon or 2-photon excitation was shown in vitro on breast cancer cell lines. An other study consisted in the vectorization of a hydrophobic anti-cancer drug, camptothecin, by porous silicon nanoparticles functionalized with antibodies to specifically target glioblastoma, neuroblastoma and lymphocyte cells. Finally, a study of the internal texture of porous silicon combining experiments and molecular modelization is presented.

A reação de hidrólise alcalina em fase aquosa de ions N-alquil-4-cianopiridíneos (RCP) foi caracterizada com relação a efeitos de pH, força iônica (&#181;) e constante dielétrica do meio (D) A hidrólise alcalina dos RCP resulta na formação de dois produtos, i.é., a N-alquil-4-carboxiamidopiridíneo (A) e a N-alquil-4-piridona (P) correspondentes. A relação P/A é função crescente de pH e atinge um valor limite de 1,75 para todos os RCP empregados. No entanto, em misturas água/dioxana a formação de P é preferencial. A constante de velocidade observada (k&#968;) de pseudo primeira ordem de hidrólise dos RCP é função de pH. Em solução aquosa (&#181;=0,02) esta dependência pode ser expressa por : log k&#968; = 1,0702 pH - 14,3 Os efeitos devidos a variações em &#181; e D sobre k&#968;, foram analisados segundo os modelos de Debye-Hückel (Robinson, R.A. e Stokes, R.H. em \"Electrolyte Solutions\", 1955) e Brönsted - Christiansen - Scatchard (Amis, E.S. em \"Solven t Effects on Reaction Rates and Mechanisms\", 1966). Os estudos dos efeitos de pH , &#181; e D sobre k&#968; serviram como modelos de referência para racionalizar efeitos de detergentes de vários tipos estruturais tanto na velocidade, como na razão de produtos resultantes da hidrólise alcalina dos RCP. Em soluções tamponadas de micelas de hexadeciltrimetilamônio (CTAB), a k&#968; de hidrólise do íon N-metil-4-cianopiridíneo (MCP) é independente da concentração de detergente. Por outro lado, k&#968; aumenta com CTAB, acima da concentração crítica de micelização (CMC) para íons N-butil (BCP), N-octil (OCP) e N-dodecil-4-cianopiridíneo (DCP) . No caso do DCP o valor máximo de k&#968; na presença de CTAB (k&#968;máx ) é cerca de 200 vêzes maior que k&#968; na ausência de CTAB (k&#968;o). Os dados referentes ao efeito de CTAB para a hidrólise de DCP , foram analisados quantitativamente utilizando o modelo teórico de Troca-Iônica em micelas (Quina, F.H. e Chaimovich, H. J.Phys.Chem. 83,1844 (1979)). Os resultados desta análise indicam que a constante de velocidade de segunda ordem na fase micelar (km2) é uma ordem de magnitude superior àquela na água (ko2). Esta diferença pode ser reproduzida supondo a reação num ambiente com D= 32 e &#181;=3. A adição de dodecilsulfato de sódio (SDS) acima da CMC, inibe a reação. Contudo, não é observada inibição total, mesmo no caso do DCP o qual é completamente incorporado à fase micelar. Empregando a teoria de Troca-Iônica em soluções micelares, explicitas considerações do produto iônico da água na fase micelar (Kw), conduzem a expressões da dependência de concentração de Na+ aquoso (livre) do pH local na superfície do SDS. Análise quantitativa dos resultados de velocidade de hidrólise dos RCP , fornecem o resultado que Kw = 0,025 Kw (kw é o produto iônico da água na fase aquosa), uma vez suposto km2= 10 ko2. Em soluções micelares de 3-(N,N-dimetil-N-dodecilamônio)- propano-l-sulfonato (SDP), k&#968; de hidrólise do DCP aumenta, a razão k máx/ko&#968;; chega a cerca de 15. Esta aceleração pode ser devida a existência de um campo potencial diplar na superfície da micela de SDP. Como no caso de misturas dioxano-água, a razão de produtos P/A em presença de micelas (CTAB, SDS e SDP) refletem a formação preferencial de P. Esta preferência foi analisada considerando os possíveis estados de transição envolvidos. Finalmente descreve-se uma metodologia simples para determinação rápida da homogeneidade dos detergentes derivados de sais de amônio (distribuição do comprimento de cadeias alquila). Esta técnica é em essência uma eliminação micro-Hoffman, devido a direta injeção do detergente na forma de hidróxido e posterior pirólise no cromatógrafo a gás. Como tal, quantidades negligíveis de detergente são requeridas, como também os passos de isolamento e manipulação (e eventuais erros sistemáticos) associados com a eliminação de Hoffman convencional, seguidos por análise no cromatógrafo a gás, são evitados. / The alkaline hydrolysis of N-alkyl-4-cyano pyridinium ions (RCP) in aqueous solution was characterized with respect to the eftects on pH, ionic strength (&#181;) and medium dieletric constant (D) on the reaction. Alkaline hydrolysis of RCP results in the formation of two products, i.e., the corresponding N-alkyl-4-carboxamidopyridinium ion (A) and N-alKyl-4-pyridone (P). In aqueous solution the P/A product ratio increases with pH, attaining a limiting value of 1,75 at high pH for all the RCP. In water-dioxane mixture, however, there is preferential formation of P. The observed pseudo-first-order rate constant (k&#968; ) for hydrolysis of the RCP in aqueous solution (&#181; =0,02) varies with pH according to: LOG k&#968; = 1,0702 pH - 14,3.The effect of changes in &#181; or D on k&#968; were analysed within the framework of the models of Debye-Huckel (Robinson, R.A. and Stockes, R.H. in \"Electrolyte Solutions\", 1955 ) and Brönsted- Christiansen - Scatchard (Amis, E.S. in \"Solvent Effects on Reaction Rates and Mechanisms\", 1966) . These dependences of k&#968; and of the P/A product ratio on pH, &#181; and D served as a basis for rationalization of the effects of detergents of various structural types on both the rate of alkaline hydrolysis of the RCPand the resultant produc ratio. In Buffered micellar solutions o hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), k&#968; for alkaline hydrolysis of the N-methyl-4-cyanopyridinium ion (MCP) is independent of detergent concentration. In contrast, k&#968; increases with (CTAB) above the critical micelle concentration (CMC) for the N-Butil (BCP), N-octyl (OCP) and N-dodecyl-4 cyanopyrydinium (DCP) ions. In the case of DCP, the maximum value of k&#968; in the presence of CTAB (k&#968; max) is 200 times greater than k&#968; in the absence of CTAB (ko&#968; ). The effect of CTAB on k&#968; for alkaline hydrolysis of DCP was analyzed quantitatively using the conceptual model for ion exchange (Quina, F.H. and Chaimovich, H. J.Phys.Chem. 83, 1844 (1979)). The results of this analysis indicate that the second order rate constant for hydrolysis in the micellar phase (km2) is an order of magnitude greater than that in the aqueous phase (ko<sub2). This difference betwen km2 and ko2 can be reproduced by assuming a reaction environment with D=32 and &#181; = 3. Micellar sodium dodecyl sulfate (SDS) inhibit the rate of alkaline hydrolysis of all the RCP. Nonetheless, total inhibition is not observed, even in the case of DCP, which is completely incorporated into the micellar phase. Using the theory of ion exchange in micellar solutions, explicitly consideration of the ionic product of water in the micellar phase (Kw) leads to expression for the external (free) N+a dependence of the local pH at the SDS micellar surface. Quantitative analysis of the rate data for the alkaline hydrolysis of the RCP, assuming km2= 10 ko2, furnishes the result that Kw= 0,025 Kw, where Kw is the product of water in the aqueous phase.In micellar solutians of 3-(N,N-dimethyl-N-dodecylammonium) propane-l-sulfanate (SDP), k&#968; for alkalyne Hydrolysisof DCP increases, the ratia k&#968;max/ko&#968; attaining a value of ca. 15. The observed rate acceleration is suggested to be due to the existence of a dipolar potencial field at the SDP micellar surface. As in the case of water-dioxane mixtures, the P/A product ratio in the presence of detergent micelles (CTAB, SDS and SDP) reflects preferential formation of P. This preference was analyzed on the basis of considerations of possible transition states involved. Finally, a simple methodology for rapid determination of the homogeneity (distribution of alkyl chain lengths) of ammonium-derived detergents is described. This technique is in essence a micro Hoffmannelimination effected by direct injection pyrolysis glpc of the detergent in the hydroxide form. As small negligible quantities of detergent are required and the product isolation and manipulation steps and attendant systematic errors) associated with a conventional Hoffmannelimination, followed by glpc analysis of the products are circunve ted.

Micelas e agregados de cloreto de dimetildialquilamônio (Herquat) foram utilizados como modelos de interfaces para o estudo de reações químicas. As reações de tiólise de acetato de p-nitrofenila (NPA) e octanoato de p-nitrofenila (NPO) por n-heptilmercaptana (HM) foram estudadas na presença de concentrações variáveis de brometo de hexadeciltrimetilamônio(CTAB), dodecilsulfato de sódio (SDS) e 3-(N,N dimetildodecilamônio) propano-l-sulfohato(SDP). O detergente positivo (CTAB) provoca uma alteração máxima da reação de tiólise de NPA de 6.103 vezes e da reação de tiólise de NPO por um fator máximo de 1,6.104 vezes. O efeito da concentração de CTAB na constante de pseudo-primeira-ordem das reações de tiólise (k&#968;) e no pK aparente (pKap) da HM foi analisado segundo o modelo de Troca Iônica (Quina, F.H. e Chaimovich, H. (1979). Os parâmetros necessários para a análise dos resultados descritos acima foram determinados por métodos independentes dos experimentos cinéticos. Um ajuste excelente das curvas teóricas aos dados experimentais foi obtido utilizando-se uma relação entre as constantes de velocidade de segunda ordem nas fases micelar (km2) e aquosa (ko2) de 1 e 5 para as reações de tiólise de NPA e NP0, respectivamente. Assim, o efeito de CTAB sobre a k&#968; das reações de tiólise de NPA e NPO pode ser atribuído a uma concentração de substratos na fase micelar, desvio do pKap da HM e concentração do íon hidróxido na interface. A velocidade da reação de tiólise de NPO por HM diminui cerca de 70 vezes em 0,1 M de SDS e, na presença de SDP, aumenta por um fator máximo de 270 vezes, O pKap da HM aumenta com a concentração de ambos os detergentes. O efeito da concentração de SDS e SDP no pKap da HM e na k&#968; da reação de tiólise de NPO foi analizado segundo o modelo de pseudo-fase (Yatsimirski, A.K., Martinek, K. e Berezin, I.V., (1971). Um ajuste muito bom das curvas teóricas aos dados experimentais foi obtido utilizando-se um valor de 0,085 para a relação km2/ko2 em SDS e 1 para a relação em SDP. Assim, a inibição da tiólise de NPO por SDS é devida a um aumento do pKap do substrato, uma km2 menor que ko2 e uma pequena constante de associação entre o SDS e a forma aniônica da mercaptana. A aceleração da reação de tiólise de NPO por SDP pode ser atribuída unicamente a concentração de reagentes na pseudo-fase. A reação de hidrólise de 2-Feniliminotetrahidrofurano (FI) foi estudada em presença de SDS observando-se que o detergente aumenta o pKap do substrato e a velocidade da reação de hidrólise (a pHs maiores que 4). A análise destes resultados empregando-se equações derivadas a partir do modelo de Troca-Iônica mostrou que a relação km/ko é praticamente 1 a todos os pHs estudados. Desde que a reação é inibida a alta força iônica em fase aquosa, podemos inferir que, no microambiente no qual o FI é solubilizado (camada de Stern do SDS), a reação ocorre com uma constante de velocidade similar à observada em baixa força iônica. Poi feita uma caracterização parcial dos agregados de Herquat (vesículas) por filtração em Sephadex G-25. Demonstrou-se que as vesículas incorporam substratos hidrofóbicos (4-(-1-pireno) butanoato de metila) e hidrofílicos ((14C) glicose) e que o contraíon do anfifílico (cloreto) pode ser deslocado do Herquat pelo ânion do tampão. Estes agregados aceleram a reação de tiólise de NPA por HM por um fator máximo de 5.104 vezes e a reação de tiólise de NPO por HM por um fator de 7.106 vezes. O efeito mais impressionante destes agregados é que a reação de tiólise de NPO por HM em Herquat pode ser estudada a pH 4, portanto, cerca de 6,7 unidades de pH abaixo do pK da mercaptana em água. Após a análise deste sistema de reações utilizando-se o modelo de Troca-Iônica obteve-se uma relação km2/ko2 da ordem de 5 para a reação de HM e NPA e da ordem de 13 para a reação de tiólise de NPO. A aceleração provocada pelos agregados de Herquat pode ser atribuída a concentração de reagentes nas vesículas, efeito dos agregados sobre o pKap da HM e uma constante de segunda ordem na pseudo-fase maior que na fase aquosa. / Micelles and dialkyldimethylammonium chloride aggregates (Herquat) were employed as model interfaces for the study of interfacial effects on chemical reactions. The thiolyses of p-nitrophenyl acetate (NPA) and p-nitrophenyloctanoate (NPO) by n-heptylmercaptan (HM) were investigated as a function of concentration of added hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), sodium dodecyl sulfate (SDS) and 3- (N,N-dimethyl-N-dodecyl ammonium) - propane-l-sulfonate (SDP). In the presence of the cationic detergent (CTAB), maximum rate acceleration of 6x103 and 1.6xl04 were observed for the thiolyses of NPA and NPO, respectively. The CTAB concentration dependences of the pseudo first-order rate constants (k&#968;) for these reactions and of the apparent pK (pKap) of HM were analyzed within the framework of the conceptual Model for Ion Exchange (Quina, F.H. and Chaimovich, H., 1979), the requisite parameters for the analysis being determined independently of the kinetic results. Excellent simulations of the experimental results were obtained using ratios of second order rate constants in the micellar (km2) and aqueous (ko2) phases of 1 and 5 for thiolysis of NPA and NPO, respectively. Thus, in this case, the effect of CTAB on k&#968; may be attributed to the interplay of concentration of the substrate in the micellar phase, changes in the pKap of HM and concentration of the hydroxide ion at the interfaces. The rate of thiolysis of NPO by HM diminishes by roughly a factor of 70 upon addition of O.1M SDS (anionic detergent) and increases by a factor of 270 at the maximum in the presence of SDP (zwitterionic detergent). The pKap of HM increases in the presence of both detergents. The effect of detergent concentration on the pKap of HM and on k&#968; for thiolysis of NPO were analyzed in terms of the pseudo-phade model (Yatsimirski, Martinek, Berezin, 1971). Ressonable simulation of the experimental data were obtained using values of 0.085 for the ratio km2/ko2 in SDS and 1 for this some ratio in SDP. Thus, the inhibition of the thiolysis of NPO by SDS may be ascribed to an increase in the pKap of HM, coupled with a small value of the constant for association of the mercaptide ion of HM with the micellar phase and an apparent decrease in km2 relative to ko2. The acceleration of this same reaction by SDP can be attibuted exclusively to extrinsic factors, concentration of the reagents in the micellar phase predominating over the increase in the pKap of HM. The hydrolysis of 2-Phenyliminotetrahydrofuran (FI) was studied in the presence of SDS, it being verified that both the pKap of the substrate and the velocity of hydrolysis (at pH values higher than 4) increase in the presence of the detergente Analysis of these results, using equations derived from the conceptual Model for Exchange, demonstrates that the ratio km/ko is essentially 1 over the entire pH vange investigated. Since this reaction is inhibited at high ionic strength in aqueous solution, one may infer that, in the micro environment in which FI is solubilized (Stern layer of SDS), the reaction occurs with a rate constant similar to that observed in aqueous medium at low ionic strength. A partial characterization of the aggregates (vesicles) formed by Herquat in aqueous dispersion was performed by gel filtration on Sephadex G-25. In this manner, it was demonstrated that the vesicles incorporate hydrophobic(methyl 4-(1-pireno)butanoate) and hydrophilic (14C-glucose) substrates and that the chloride counterion of Herquat can be exehanged with anionic buffer components. These aggregates accelerate the thiolysis of NPA by HM by up to a factor of 5x104 and that of NPO by up to a fator of 7x106. The most impressive aspeet of these Herquat agregates is the fact that the thiolysis of NPO by HM can be studied at pH 4, some 6.7 pH units below the pKa of HM in water. Applying an ion-exchange formalism analogous to that amployed for reactions in CTAB to the analysis of these thiolyses, km2/ko2 ratios of about 5 for the reaction between NPA and HM and of roughly 13 for the reaction between NPO and HM were obtained. The acceleration observed in the presence of these aggregates may thus be attributed to concentration of the reagents in the vesicle phase, effects on the pKap of HM and a somewhat larger second-order rate constant in the vesicle phase relative to the aqueous phase.

Foi desenvolvido um processo tecnológico para concentrar apatita das camadas 6 e 7 do depósito sedimentar de Bayóvar (deserto de Sechura - Peru) por flotação. O minério é composto por apatita (84%), feldspatos (12%), quartzo (4%) e traços de mica, anfibólio e carbonatos. As partículas de apatita apresentaram grau de liberação maior que 90% na sua granulometria (-800 mm). Embora a flotação direta da apatita com ácido graxo ser tecnicamente viável, os melhores resultados metalúrgicos foram produzidos com a flotação catiônica reversa utilizando amidoamina (concentração na solução da flotação = 107 mg/L e dosagem = 250 g/t) como coletor em pH natural (7,4 - 8,2) e a água do mar da região de Bayóvar. Produziu-se um concentrado de fosfato com teor de 30% de P2O5 e recuperação metalúrgica de apatita maior que 90%. A amidoamina provou ser adequada para ser usada em condições desfavoráveis causadas pela utilização da flotação em água do mar no deserto de Sechura: variações na temperatura (25oC - 40oC), concentração de eletrólitos muito alta na água de processo (força iônica de 0,71 mol/L) e variação da concentração de eletrólitos na água do mar causada pela evaporação (22 - 37 g/L de cloretos). A tese também abordou estudos fundamentais com minerais puros (apatita e feldspato) e utilização de água salgada com concentrações de sais puros semelhantes à da água do mar Bayóvar, com objetivo de contribuir para um melhor entendimento sobre como a seletividade da separação apatita/feldspato ocorre em pH 8. Por causa do potencial zeta da apatita (de 0 a +5 mV) e do feldspato (de 0 a -5 mV) imersos em água salgada ser muito baixo, a teoria clássica de Gaudin-Fuerstenau-Somasundaran não é forte o suficiente para explicar a boa seletividade desta separação. Considerou-se então a precipitação de um sal composto do agente coletor amidoamina e os ânions presentes na água salgada (cloreto e sulfato), embora a turbidez das soluções de amidoamina em água do mar só começasse a ser observada em concentração de 1.000 mg/L, maior que a concentração do coletor usada nos testes de flotação (107 mg/L). Em pH 8, os precipitados apresentaram diâmetros de (236±20) nm e exibiram potencial zeta de +15 mV. Os ângulos de contato da apatita, feldspato e precipitado foram medidos com água, glicerol e diiodometano a 22oC. Os resultados foram usados para calcular a energia de superfície dos sólidos (46,38 mJ.m-2 para o precipitado, 56,54 mJ.m-2 para a apatita e 60,59 mJ.m-2 para o feldspato), constante de Hamaker (+1,06x10-20 J para feldspato/precipitado e +0,77x10-20 J para apatita/precipitado) e energia livre de adesão apatita/precipitado (-32,39 mJ.m-2) e feldspato/precipitado (-38,55 mJ.m-2) em meio aquoso. Esses resultados negativos indicam que tanto apatita/precipitado quanto feldspato/precipitado apresentam energia livre de adesão atrativa. Entretanto, a maior magnitude da energia livre de adesão para o feldspato/precipitado indica a preferência da flotação para o feldspato. Utilizando o racional oferecido pelas teorias de DLVO/X-DLVO, construíram-se as curvas de energia de interação da apatita/precipitado e feldspato/precipitado em função da distância entre as partículas (1 nm a 20 nm). Estes resultados indicaram que a contribuição da energia de Lifshitz-van der Waals é mais significativa que a contribuição da energia ácido-base. Com relação à contribuição eletrostática, não se espera que ela tenha contribuição significativa na separação em pH 8 porque o potencial zeta de ambos minerais são muito baixos em magnitude (ainda que tenham sinais diferentes). A energia de interação para o precipitado/feldspato em função da distância é mais negativa que a energia da apatita/precipitado para ambas as teorias DLVO/X-DLVO. Esta diferença pode explicar a seletividade da separação entre a apatita e o feldspato com amidoamina (107 mg/L) em pH 8. / A technological process was developed to concentrate apatite from the layers 6 and 7 of the sedimentary phosphate of Bayóvar (desert of Sechura - Peru) by froth flotation. The ore is composed of apatite (84%), feldspars (12%), quartz (4%) and traces of mica, amphibole and carbonates. Particles of apatite achieve a liberation degree higher than 90% as particle size is lower than 800 mm. Although direct anionic flotation of apatite with fatty acids works well, the best metallurgical results were yielded by cationic reverse flotation by using amidoamine (concentration in flotation solution = 107 mg/L and dosage= 250 g/t) as collector at natural pH (7.4 - 8.2) and seawater from Bayóvar region. A phosphate concentrate assaying 30% of P2O5 was yielded accompanied by apatite recovery higher than 90%. Amidoamine proved to be suitable to work under harsh conditions posed by seawater in the desert of Sechura for flotation purposes: prominent gap in temperature (25oC - 40oC), very high concentration of electrolytes (ionic strength of 0.71 mol/L) and variation electrolyte concentration of seawater caused by water evaporation (22 - 37 g/L of chlorides). The thesis also approached fundamental studies with pure minerals (apatite and feldspar) and salty water produced by pure salts with concentration similar to Bayóvar seawater, in order to contribute towards a better understanding on how the selectivity of the separation apatite/feldspar takes place at pH 8. Because zeta potential of apatite (from 0 to +5 mV) and feldspar (from 0 to -5 mV) immersed in salty water at pH 8 are very low, the classic theory of Gaudin-Fuerstenau- Somasundaran is not strong enough to explain the good selectivity of the achieved separation. Precipitation of a salt composed by amidoamine and anions from salty water (chloride and sulfate) was considered to happen, although turbidity of solutions solely start to happen in concentration 1,000 mg/L higher than collector concentration used in flotation experiments (107 mg/L). At pH 8, precipitates show diameter of (236 ± 20) nm and exhibit zeta potential of +15 mV. Contact angle of apatite, feldspar and precipitate was measured with water, glycerol and diiodomethane at 22oC. The results were used to calculate surface energy of solids (46.38 mJ.m-2 for precipitate, 56.54 mJ.m-2 for apatite and 60.59 mJ.m-2 for feldspar), Hamaker constant (+1.06x10-20 J for feldspar/precipitate and +0.77x10-20 J for apatite/precipitate) and free energy of adhesion apatite/precipitate (-32.39 mJ.m-2) and feldspar/precipitate (- 38.55 mJ.m-2) in aqueous media. These negative results indicate that both apatite/precipitate and feldspar/precipitate present total energy of adhesion are attractive. However, the higher magnitude of free energy of adhesion for feldspar/precipitate may indicate the preferential flotation of feldspar. The rationale maintained by DLVO and X-DLVO theories was used to build curves of interaction energy of apatite/precipitate and feldspar/precipitate versus the distance between particles (1 nm to 20 nm). These results indicate that contribution from Lifshitz-van der Waals energy play a more prominent role than acid-base contribution. Regarding electrostatic contribution, it is not expected to play a major role in the selectivity of the separation at pH 8 because the zeta potential of both minerals is very low in magnitude (although different in signal). The interaction energy for feldspar/precipitate versus distance is more negative than the energy of apatite/precipitate versus distance from both DLVO and X-DLVO theories. Such a difference could explain the selectivity of separation between apatite and feldspar with amidoamine (107 mg/L) at pH 8.

Lipossomos de cloreto de dioctadecildimetilamonio (DODAC) com 0,51&#181; de diâmetro externo médio e transição de fase ocorrendo em uma faixa estreita de temperaturas (0,5-1,0&#176;C) foram obtidos por vaporização de clorofórmio e comparados com vesículas sonicadas de DODAC (cerca de 250 &#197; de diâmetro externo). Sacarose foi impermeante através de lipossomos grandes de DODAC ou de vesículas sonicadas de DODAC podendo ser utilizada para determinações de volume interno em ambas as preparações. Volume interno aparente para lipossomos grandes de DODAC foi 9,7 &#177; 1,3 1/mol e para vesículas sonicadas de DODAC, 0,33 &#177; 0,20 1/mol (adsorção de sacarose à bicamada de, respectivamente, 0,64 &#177; 0,30 e 0,20 &#177; 0,08 1/mol). Lipossomos grandes de DODAC comportaram-se como osmômetros em relação à sacarose e ao KCl (0-50mM KCl). Já as vesículas sonicadas de DODAC foram osmoticamente não-responsivas em relação à sacarose, floculando em presença de KCl. Essa não-responsividade osmótica foi interpretada como decorrente da presença única e exclusiva de água de hidrataçao no compartimento aquoso interno das vesículas sonicadas. Outras propriedades de lipossomos grandes de DODAC foram análogas às apresentadas por lipossomos de fosfolípides. Permeabilidades relativas (KCl como referência incorporado ao compartimento aquoso interno) do NaCl, HCl e sacarose foram similares às descritas para lipossomos de fosfatidilcolina; NaCl e sacarose sendo tão impermeantes quanto o KCl e HCl, sendo ligeiramente mais permeante que o KCl. Nas vizinhanças da temperatura de transição de fase, ocorreu um acentuado aumento da velocidade inicial de encolhimento e a extensão total de encolhimento chegou a um mínimo. A comparaçao de algumas propriedades físicas e funcionais de vesículas sonicadas e de lipossomos grandes de DODAC permitiu concluir que lipossomos grandes de DODAC constituem um modelo mais adequado para estudos de transporte. Adicionalmente, o método de vaporização de clorofórmio foi testado para o dihexadecilfosfato de Na+ (DCP) sendo obtidas dispersões homogêneas desse anfifílico capazes de incorporar um volume de 13 &#177; 4 1/mol e de responderem como osmômetros a gradientes osmóticos de sacarose, um soluto que praticamente nao é adsorvido à bicamada de DCP e que resultou impermeante através da mesma. / Dioctadecyldimethylammonium chloride (DODAC) liposomes with 0.51&#181; mean external diameter and sharp phase transitions were obtained by chloroform vaporization and compared with (small) sonicated DODAC vesicles. Sucrose was impermeant through large DODAC liposomes and sonicated vesicles and was used for internal volume determinations. The apparent internal volumes for large DODAC liposomes and sonicated DODAC vesicles were, respectively, 9.7 &#177; 1.3 and 0.33 ± 0.20 1/mol. (External sucrose adsorption were, respectively, 0.64 &#177; 0.30 and 0.20 &#177; 0.08 l/mol). Ideal osmometer behaviour towards KCl over the 0-50mM concentrations range and towards sucrose were observed only for large DODAC liposomes. Sonicated DODAC vesicles were osmotically non responsive towards sucrose and floculate with KCl. Other properties of large DODAC liposomes closely resembled those of phospholipid liposomes. At temperatures near the phase transition temperature, a steep increase in the initial shrinkage rate and a minimum for the total extent of shrinkage occured. Relative permeabilities (KCl as reference entrapped inside) to NaCl, HCl and sucrose were similar to those of phosphatidyl choline liposomes. NaCl and sucrose were as impermeant as KCl, and HCl slighthly more permeant than KCl. Large DODAC liposomes are proposed as an adequate synthetic membrane model, in contrast to sonicated DODAC vesicles. In addition, the chlroform vaporization method was tested for sodium dihexadecylphosphate (DCP). Large DCP liposomes were demonstrated to be impermeant towards sucrose entrapping 13 ± 4 l/mol and behaving as an osmometer towards this solute.

Micelas e agregados de cloreto de dimetildialquilamônio (Herquat) foram utilizados como modelos de interfaces para o estudo de reações químicas. As reações de tiólise de acetato de p-nitrofenila (NPA) e octanoato de p-nitrofenila (NPO) por n-heptilmercaptana (HM) foram estudadas na presença de concentrações variáveis de brometo de hexadeciltrimetilamônio(CTAB), dodecilsulfato de sódio (SDS) e 3-(N,N dimetildodecilamônio) propano-l-sulfohato(SDP). O detergente positivo (CTAB) provoca uma alteração máxima da reação de tiólise de NPA de 6.103 vezes e da reação de tiólise de NPO por um fator máximo de 1,6.104 vezes. O efeito da concentração de CTAB na constante de pseudo-primeira-ordem das reações de tiólise (k&#968;) e no pK aparente (pKap) da HM foi analisado segundo o modelo de Troca Iônica (Quina, F.H. e Chaimovich, H. (1979). Os parâmetros necessários para a análise dos resultados descritos acima foram determinados por métodos independentes dos experimentos cinéticos. Um ajuste excelente das curvas teóricas aos dados experimentais foi obtido utilizando-se uma relação entre as constantes de velocidade de segunda ordem nas fases micelar (km2) e aquosa (ko2) de 1 e 5 para as reações de tiólise de NPA e NP0, respectivamente. Assim, o efeito de CTAB sobre a k&#968; das reações de tiólise de NPA e NPO pode ser atribuído a uma concentração de substratos na fase micelar, desvio do pKap da HM e concentração do íon hidróxido na interface. A velocidade da reação de tiólise de NPO por HM diminui cerca de 70 vezes em 0,1 M de SDS e, na presença de SDP, aumenta por um fator máximo de 270 vezes, O pKap da HM aumenta com a concentração de ambos os detergentes. O efeito da concentração de SDS e SDP no pKap da HM e na k&#968; da reação de tiólise de NPO foi analizado segundo o modelo de pseudo-fase (Yatsimirski, A.K., Martinek, K. e Berezin, I.V., (1971). Um ajuste muito bom das curvas teóricas aos dados experimentais foi obtido utilizando-se um valor de 0,085 para a relação km2/ko2 em SDS e 1 para a relação em SDP. Assim, a inibição da tiólise de NPO por SDS é devida a um aumento do pKap do substrato, uma km2 menor que ko2 e uma pequena constante de associação entre o SDS e a forma aniônica da mercaptana. A aceleração da reação de tiólise de NPO por SDP pode ser atribuída unicamente a concentração de reagentes na pseudo-fase. A reação de hidrólise de 2-Feniliminotetrahidrofurano (FI) foi estudada em presença de SDS observando-se que o detergente aumenta o pKap do substrato e a velocidade da reação de hidrólise (a pHs maiores que 4). A análise destes resultados empregando-se equações derivadas a partir do modelo de Troca-Iônica mostrou que a relação km/ko é praticamente 1 a todos os pHs estudados. Desde que a reação é inibida a alta força iônica em fase aquosa, podemos inferir que, no microambiente no qual o FI é solubilizado (camada de Stern do SDS), a reação ocorre com uma constante de velocidade similar à observada em baixa força iônica. Poi feita uma caracterização parcial dos agregados de Herquat (vesículas) por filtração em Sephadex G-25. Demonstrou-se que as vesículas incorporam substratos hidrofóbicos (4-(-1-pireno) butanoato de metila) e hidrofílicos ((14C) glicose) e que o contraíon do anfifílico (cloreto) pode ser deslocado do Herquat pelo ânion do tampão. Estes agregados aceleram a reação de tiólise de NPA por HM por um fator máximo de 5.104 vezes e a reação de tiólise de NPO por HM por um fator de 7.106 vezes. O efeito mais impressionante destes agregados é que a reação de tiólise de NPO por HM em Herquat pode ser estudada a pH 4, portanto, cerca de 6,7 unidades de pH abaixo do pK da mercaptana em água. Após a análise deste sistema de reações utilizando-se o modelo de Troca-Iônica obteve-se uma relação km2/ko2 da ordem de 5 para a reação de HM e NPA e da ordem de 13 para a reação de tiólise de NPO. A aceleração provocada pelos agregados de Herquat pode ser atribuída a concentração de reagentes nas vesículas, efeito dos agregados sobre o pKap da HM e uma constante de segunda ordem na pseudo-fase maior que na fase aquosa. / Micelles and dialkyldimethylammonium chloride aggregates (Herquat) were employed as model interfaces for the study of interfacial effects on chemical reactions. The thiolyses of p-nitrophenyl acetate (NPA) and p-nitrophenyloctanoate (NPO) by n-heptylmercaptan (HM) were investigated as a function of concentration of added hexadecyltrimethylammonium bromide (CTAB), sodium dodecyl sulfate (SDS) and 3- (N,N-dimethyl-N-dodecyl ammonium) - propane-l-sulfonate (SDP). In the presence of the cationic detergent (CTAB), maximum rate acceleration of 6x103 and 1.6xl04 were observed for the thiolyses of NPA and NPO, respectively. The CTAB concentration dependences of the pseudo first-order rate constants (k&#968;) for these reactions and of the apparent pK (pKap) of HM were analyzed within the framework of the conceptual Model for Ion Exchange (Quina, F.H. and Chaimovich, H., 1979), the requisite parameters for the analysis being determined independently of the kinetic results. Excellent simulations of the experimental results were obtained using ratios of second order rate constants in the micellar (km2) and aqueous (ko2) phases of 1 and 5 for thiolysis of NPA and NPO, respectively. Thus, in this case, the effect of CTAB on k&#968; may be attributed to the interplay of concentration of the substrate in the micellar phase, changes in the pKap of HM and concentration of the hydroxide ion at the interfaces. The rate of thiolysis of NPO by HM diminishes by roughly a factor of 70 upon addition of O.1M SDS (anionic detergent) and increases by a factor of 270 at the maximum in the presence of SDP (zwitterionic detergent). The pKap of HM increases in the presence of both detergents. The effect of detergent concentration on the pKap of HM and on k&#968; for thiolysis of NPO were analyzed in terms of the pseudo-phade model (Yatsimirski, Martinek, Berezin, 1971). Ressonable simulation of the experimental data were obtained using values of 0.085 for the ratio km2/ko2 in SDS and 1 for this some ratio in SDP. Thus, the inhibition of the thiolysis of NPO by SDS may be ascribed to an increase in the pKap of HM, coupled with a small value of the constant for association of the mercaptide ion of HM with the micellar phase and an apparent decrease in km2 relative to ko2. The acceleration of this same reaction by SDP can be attibuted exclusively to extrinsic factors, concentration of the reagents in the micellar phase predominating over the increase in the pKap of HM. The hydrolysis of 2-Phenyliminotetrahydrofuran (FI) was studied in the presence of SDS, it being verified that both the pKap of the substrate and the velocity of hydrolysis (at pH values higher than 4) increase in the presence of the detergente Analysis of these results, using equations derived from the conceptual Model for Exchange, demonstrates that the ratio km/ko is essentially 1 over the entire pH vange investigated. Since this reaction is inhibited at high ionic strength in aqueous solution, one may infer that, in the micro environment in which FI is solubilized (Stern layer of SDS), the reaction occurs with a rate constant similar to that observed in aqueous medium at low ionic strength. A partial characterization of the aggregates (vesicles) formed by Herquat in aqueous dispersion was performed by gel filtration on Sephadex G-25. In this manner, it was demonstrated that the vesicles incorporate hydrophobic(methyl 4-(1-pireno)butanoate) and hydrophilic (14C-glucose) substrates and that the chloride counterion of Herquat can be exehanged with anionic buffer components. These aggregates accelerate the thiolysis of NPA by HM by up to a factor of 5x104 and that of NPO by up to a fator of 7x106. The most impressive aspeet of these Herquat agregates is the fact that the thiolysis of NPO by HM can be studied at pH 4, some 6.7 pH units below the pKa of HM in water. Applying an ion-exchange formalism analogous to that amployed for reactions in CTAB to the analysis of these thiolyses, km2/ko2 ratios of about 5 for the reaction between NPA and HM and of roughly 13 for the reaction between NPO and HM were obtained. The acceleration observed in the presence of these aggregates may thus be attributed to concentration of the reagents in the vesicle phase, effects on the pKap of HM and a somewhat larger second-order rate constant in the vesicle phase relative to the aqueous phase.

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