Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal

Résumé: Les lieux d'enfouissement techniques (LET) sont des émetteurs biogaz. Ces biogaz sont connus sous le nom des biogaz des LET (LFG). LFG est généralement composé de40- 45%v/vde CO2 et de55-65% v/v de C1-14et de nombreux composés organiques non méthaniques (NMOV). Ces NMOV englobent des polluants atmosphériques et des composés organiques volatils (COV). Plusieurs COV ont été identifiés et quantifiés dans le biogaz émis par le LET de Saint-Nicéphore (Québec, Canada).Dans le cadre d'un projet portant sur la réduction des émissions du méthane émis par le LET de Saint-Nicéphore, le groupe géo-environnemental de la faculté de génie de l'Université de Sherbrooke a mis sur place une plateforme depuis 2006. Cette plateforme est constituée de deux bio-recouvrements expérimentaux. 11 s'agit des bio-recouvrements d'oxydation passive du méthane (PMOB-1 B et 2). En 2012, deux cellules expérimentales (FC-2 et 4) ont été construites sur le LET de Saint-Nicéphore. Le PMOB-1 B est alimenté par le biogaz provenant des déchets enfouis directement. Par contre le PMOB-2 et les FC-2 et 4 sont alimentés par le biogaz provenant d'un puits de biogaz avec des débits contrôlés. Les PMOB-IB et 2 et les FC-2 et 4 ont fait objet d'un suivi pour étudier leurs efficacités de réduire les COV émis par le LET de Saint-Nicéphore. L'efficacité de réduction des COV par les PMOB (1B et 2) et les FC (2 et 4) est pratiquement 100% pour certains composés (p.ex. le toluène). Cette étude contient des résultats intéressants sur l'efficacité des bio-recouvrements pour réduire les COV émis par les LET. Elle est une documentation de terrain importante. Elle est réalisée sous des conditions climatiques réelles du Canada. C'est pour la première fois que les PMOB et les FC ont fait objet d'un suivi pour étudier leurs efficacités pour réduire les COV émis par le LET de Saint-Nicéphore.||Abstract: Municipal solid waste (MSW) landfills are sources of landfill biogas (LFG) to the atmosphere. LFG is typically composed of 40-45% v/v CO? and 55-65% v/v CH? and numerous of non-methane organic compounds (NMOC). NMOC consist of various organic hazardous air pollutants and volatile organic compound (VOC). In the present work, many VOC were identified and quantified in the biogas collected from Saint--Nicéphore (Quebec, Canada) landfill. The emission of VOCs to the atmosphere affects the air quality and can be harmful to the environment and human health. In recent years, many VOC mitigation strategies and technologies have been developed. The present work has focused on the ability of passive methane oxidizing biocovers (PMOB) to reduce landfill VOC emissions. In this research, the evaluation of VOCs removal efficiency of two experimental PMOBs (PMOB-1B and 2) installed at Saint--Nicéphore landfill site are performed. Furthermore, from the columns constructed in landfill site, two field columns namely FC-2 and 4 are monitored for the sampling period of three months. FC-2 and 4 were fed by biogas coming from biogas well of Saint--Nicéphore landfill. The potential of FC-2 and 4 was investigated to reduce VOCs emission from MSW landfill site. In this study, the biocover effectiveness obtained was practically 100% for some compound as toluene. It is observed that the FC-2 and 4 columns show the same behaviour as PMOB1B and 2 to reduce the VOC emissions from landfill site. Results reported in this thesis are, to our knowledge, the first investigation of the potential of biocovers installed in Saint--Nicephore landfill to reduce VOC emissions. Finally, from this research, it is concluded that PMOBs (1B and 2) and FC (2 and 4) are effective to reduce VOC emissions. [symboles non conformes]

Ce travail de thèse avait pour objectif de mieux comprendre l'influence de l'incorporation d'une molécule active (arôme) et/ou de particules lipides sur la structure et les propriétés physico-chimiques de matrices filmogènes à base d'iota-carraghènane ou d'alginate de sodium. La microstructure, la granulométrie de l'émulsion filmogène, les caractéristiques thermiques et mécaniques des films ont été étudiées en présence ou non de n-hexanal. Les propriétés de transfert de ces films ont été appréhendées grâce aux mesures de perméabilité à l'oxygène, à la vapeur d'eau et à l'eau liquide, au n-hexanal et au D limonène à l'état vapeur et liquide et à 6 autres composés d'aromes (esters d'éthyle, cétone et alcools). L'ajout de n-hexanal dans la matrice d'iota-carraghènane modifie le processus de gélification ce qui induit la formation d'une microstructure plus homogène mais ayant une résistance mécanique moindre, augmente la perméabilité à la vapeur d'eau mais diminue légèrement celle de l'hexanal. Quant aux films d'alginate, ils sont peu sensibles à la présence de n-hexanal. Cette différence de comportement est attribuée aux interactions entre la fonction aldéhyde de l'arôme et les groupes OH et sulfate du carraghènane qui perturbent la formation des hélices lors de la gélification. L'organisation du gel d'alginate en boite à œuf lui confère une plus grande stabilité. L'ajout de lipide permet de diminuer la sorption et la perméabilité à la vapeur d'eau des matrices filmogène. En présence de la matière grasse, l'hexanal se comporte comme un émulsifiant et semble être localisé en surface des globules en augmentant la finesse et la stabilité des émulsions filmogènes. Les paramètres cinétique (diffusivité) et thermodynamique (sorption) ont été mesurés pour mieux caractériser les mécanismes impliqués dans le transfert Enfin, le paradoxe de Schroeder, correspondant à la différence de flux selon l'état physique de la molécule diffusante, a été observé et expliqué pour l'eau dans les films d'alginate et pour l'hexanal dans les films de carraghènanes.

L’ochratoxine A (OTA) est une mycotoxine issue du métabolisme secondaire des champignons filamenteux appartenant aux genres Penicillium et Aspergillus. Cependant, Aspergillus carbonarius est le majeur producteur de l’OTA sur les raisins. L’OTA a été retrouvée dans différents types de denrées alimentaires ainsi que lesurs produits dérivés. Le profil toxicologique de l’OTA due aux effets néfastes qu’elle présente sur la santé humaine et animale (effets hépatotoxiques, immunotoxiques, génotoxiques, tératogènes et cancérogènes) a conféré à cette mycotoxine une attention majeure auprès des instances internationales afin de limiter son occurrence. Ce projet est dédié pour trouver un moyen de lutte biologique, pouvant réduire l’OTA produite par A. carbonarius d’une part, et détoxifier les matrices alimentaires non conformes aux normes d’une autre part. La première stratégie était d’employer des huiles essentielles (cardamome, céleri, cannelle, taramira, origan, feuille de laurier, cumin, fenugrec, mélisse, menthe, sauge, anis, camomille, fenouil, romarin, romarin et thym) ainsi que des composés phénoliques extraits de plantes médicinales (feuille de laurier, cumin, fenugrec, mélisse, menthe, sauge, anis, camomille, fenouil, romarin et thym) afin d’évaluer leur effet sur la production de l’OTA dans le milieu SGM. Cette approche a été complétée par une étude moléculaire dans le but d’évaluer l’expression des gènes de biosynthèse de l’OTA (acpks, acOTApks et acOTAnrps) ainsi que les gènes de régulation (veA et laeA) chez A. carbonarius. Les résultats ont décelé que les huiles essentielles ont une activité fongicide plus élevée que celle des extraits phénoliques. Effectivement, les huiles essentielles du thym, de l’origan, du taramira, et de la cannelle ont bloqué complètement la croissance d’A. carbonarius. Cependant, les huiles essentielles du fenouil, de la cardamome, de l’anise, de la camomille, du céleri et du romarin ont réduit l’OTA sans autant affecter la croissance fongique. Le mode d’action de ces dernières a été mis en évidence en suivant l’expression des gènes acpks, acOTApks, acOTAnrps, veA et laeA, impliqués dans la biosynthèse de l’OTA chez A. carbonarius. Le gène acpks a été réprimée le plus (99.2%) quand A. carbonarius a été mis en culture avec 5 µL/mL du fenouil, entrainant ainsi une réduction de 88.9% de l’OTA. La deuxième stratégie était de développer un moyen de lutte biologique pouvant détoxifier les matrices alimentaires contaminées. Cette méthodologie a été développée suite à l’utilisation de sept souches d’actinobactéries (AT10, AT8, SN7, MS1, ML5, G10 et PT1), en évaluant leur capacité à métaboliser l’OTA, adhérer cette toxine à leur paroi membranaire ainsi que leur effet sur l’expression des gènes impliqués dans la biosynthèse de l’OTA chez A. carbonarius (acpks, acOTApks, acOTAnrps, veA et laeA). Les résultats ont montré que toutes les souches possèdent la capacité d’adhérer l’OTA à leur surface, notamment la souche SN7 qui a réduit 33% de l’OTA après 60 minutes d’incubation dans une solution PBS (Phosphate Buffer Solution) non nutritive. Les souches AT10 et SN7 ont métabolisé 51.94 et 52.68% de l’OTA ajoutée au milieu ISP2 (International Streptomyces Project-2) après 5 jours de culture à 28 °C. Cependant, les souches MS1, ML5 et G10 étaient les seules à avoir un effet sur l’expression des gènes de biosynthèse de l’OTA chez A. carbonarius. Effectivement les gènes acpks, acOTApks et acOTAnrps ont été réprimé respectivement de 37.1, 23.9 et 21% par MS1, de 39, 23 et 11.1% par ML5 et de 39, 18.3 et 11.1% par la souche G10. Ce projet a mis en valeur la capacité des extraits naturels (composés phénoliques et huiles essentielles) et des actinobactéries à prévenir d’une part la production de l’OTA et d’autre part réduire ses taux, sans pourtant affecter l’équilibre naturel ni engendrer l’apparition des débris toxiques dans les aliments traités.

Cette thèse rapporte des études de la fonctionnalisation covalente des surfaces du groupe Pt, du graphène supporté par un métal et du carbure de molybdène bidimensionnel (2D) à l'aide de carbènes. Des mesures de spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS) et de spectroscopie infrarouge d'absorption par réflexion (RAIRS) ont été utilisées pour explorer la liaison covalente entre les carbènes N-hétérocycliques (NHC) et Pt(111), Ru(0001), graphène (Gr) sur Pt(111), Gr sur des surfaces Ru(0001) et 2D-Mo₂C. La formation, l'orientation de l'adsorption et la stabilité thermique du NHC lié à la surface ont été étudiées dans chaque cas. Le sel précurseur utilisé dans la plupart des expériences était l'hydrogénocarbonate de 1,3-diisopropyl-6-(trifluorométhyl)-1H-benzo[d]imidazol-3-ium. Un état à plat et un état orienté verticalement ont été observés sur Pt(111) et Ru(0001) après adsorption du précurseur à température ambiante. Le signal pour les états orienté s verticalement a été détecté au-dessus de 600 K. Il a été constaté que les groupes de bout d'aile isopropyle subissaient une rupture de liaison à 400-450 K sur Pt(111) et Ru(0001) avec rétention du noyau du squelette NHC. L'adsorption du précurseur sur Gr/Pt(111) et Gr/Ru(0001) a entraîné une fonctionnalisation covalente, formant un état NHC à plat. Le NHC greffé se forme proprement sur les deux systèmes, indiquant que le transfert d'électrons réduit le sel précurseur et que la couche de graphène protège également contre la décomposition du NHC. La stabilité thermique du NHC greffé est similaire à celle rapportée pour les groupes aryle greffé s en utilisant la méthode au diazonium. Les différences observées entre la stabilité thermique du NHC greffé sur les deux surfaces sont attribuées à la formation d'une couche de graphène dopé n sur Ru(0001) et d'une couche dopée p sur Pt(111). La formation de NHC a été utilisée pour sonder l'intercalation d'oxygène et la gravure induite par l'oxygène de la couche de graphène sur Ru (0001). L'intercalation d'oxygène s'est avérée transformer le système Gr/Ru(0001) en un système démontrant les mêmes propriétés d'adsorption que pour Gr/Pt(111). Une série de mesures a été effectuée sur 2D-Mo₂C sur des échantillons de cuivre qui ont été préparé s par une méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Des protocoles pour nettoyer les échantillons 2D-Mo₂C/Cu en éliminant l'excès de carbone ont été explorés, en se concentrant sur le traitement à l'hydrogène atomique et la pulvérisation ionique O/Ar. Le traitement à l'hydrogène atomique a été efficace pour réduire la contamination par le carbone, mais un excès de carbone est resté après le traitement. La pulvérisation ionique O/Ar a été efficace pour éliminer l'excès de carbone. Un recuit supplémentaire à haute température (1100 K) après les deux traitements a fortement réduit la teneur en oxygène. En raison des fortes propriétés de donneur σ des ligands NHC, les NHC peuvent se lier faiblement au carbone de surface après un traitement à l'hydrogène atomique. En revanche, le NHC a pu former une forte interaction avec 2D-Mo₂C/Cu à 300 K après un traitement de pulvérisation ionique O/Ar. L'interaction du pré curseur NHC avec des échantillons pulvérisés Ar/O₂ a produit de faibles signaux NHC compatibles avec une décomposition moléculaire étendue sur la surface réactive. Des expériences supplémentaires ont été réalisées pour explorer l'utilisation de la scission de liaison carbonyle dans le benzaldéhyde portant un substituant CF₃ aux positions méta (3-CF₃) ou para (4-CF₃) pour préparer des groupes carbène sur 2D-Mo₂C. Des expériences utilisant du 3-CF₃-benzaldéhyde et du 4-CF₃-benzaldéhyde indiquent que cette méthode, produisant des alkylidènes de surface, est plus prometteuse que la méthode NHC. Le 3-CF₃-benzaldéhyde et le 4-CF₃-benzaldéhyde ont été désoxygénés sur 2D-Mo₂C/Cu à 250 K, ce qui a donné du styrylidène et de l'O co-adsorbés dans les deux cas. / This thesis reports studies of the covalent functionalization of Pt-group surfaces, metal-supported graphene and two-dimensional (2D) molybdenum carbide using carbenes. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and reflection absorption infrared spectroscopy (RAIRS) measurements were used to explore covalent bonding between N-heterocyclic carbenes (NHCs) and Pt(111), Ru(0001), graphene (Gr) on Pt(111), Gr on Ru(0001) and 2D-Mo₂C surfaces. The formation, adsorption orientation and thermal stability of the surface-bound NHC was investigated in each case. The precursor salt used in most of the experiments was 1,3- diisopropyl-6-(trifluoromethyl)-1H-benzo[d]imidazol-3-ium hydrogen carbonate. Both a flat-lying and a vertically oriented state were observed on Pt(111) and Ru(0001) following adsorption of the precursor at room temperature. Signal for the vertically oriented states was detected to above 600 K. The isopropyl wingtip groups were found to undergo bond breaking at 400-450 K on both Pt(111) and Ru(0001) with retention of the NHC backbone core. Adsorption of the precursor on Gr/Pt(111) and Gr/Ru(0001) resulted on covalent functionalization, forming a flat-lying NHC state. The grafted NHC is formed cleanly on both systems, indicating that electron transfer reduces the precursor salt and that the graphene layer also protects against decomposition of the NHC. The thermal stability of the grafted NHC is similar to that reported for grafted aryl groups using the diazonium method. Observed differences between the thermal stability of the grafted NHC on the two surfaces are attributed to the formation of an n-doped graphene layer on Ru(0001) and a p-doped layer on Pt(111). NHC formation was used to probe oxygen intercalation and oxygen induced etching of the graphene layer on Ru(0001). Oxygen intercalation was found to transform the Gr/Ru(0001) system to one demonstrating the same adsorption properties as for Gr/Pt(111). A series of measurements was carried out on 2D-Mo₂C on copper samples that were prepared by a chemical vapor deposition (CVD) method. Protocols to clean the 2D-Mo₂C/Cu samples by removing excess carbon were explored, focusing on atomic hydrogen treatment and O/Ar ion sputtering. Atomic hydrogen treatment was effective to reduce carbon contamination, but excess carbon still remained after the treatment. O/Ar ion sputtering was effective to remove the excess carbon. Additional high temperature annealing (1100 K) after the two treatments greatly reduced the oxygen content. Due to the strong σ-donor properties of NHC ligands, NHCs can weakly bond with surface carbon after atomic hydrogen treatment. In contrast, the NHC was able to form a strong interaction with 2D-Mo₂C/Cu at 300 K after O/Ar ion sputtering treatment. The interaction of the NHC precursor with Ar/O₂ sputtered samples produced weak NHC signals consistent with extensive molecular decomposition on the reactive surface. Additional experiments were performed to explore the use carbonyl bond scission in benzaldehyde bearing a CF₃ substituent at the meta (3-CF₃) or para (4-CF₃) positions to prepare carbene groups on 2D-Mo₂C. Experiments using 3-CF₃-benzaldehyde and 4-CF₃-benzaldehyde indicate that this method, producing surface alkylidenes, is more promising than the NHC method. 3-CF₃-benzaldehyde and 4-CF₃-benzaldehyde were deoxygenated on 2D-Mo₂C/Cu at 250 K, resulting in co-adsorbed styrylidene and O in both cases.

Le cruor bovin, la matière solide du sang, est un déchet des abattoirs produit en très grande quantité dans le monde. Ce coproduit est composé principalement d'hémoglobine, une protéine riche en peptides bioactifs après son hydrolyse enzymatique. Cependant, lors de l'hydrolyse conventionnelle par la pepsine, des agents chimiques sont nécessaires pour ajuster et réguler le pH de la solution et, les hydrolysats finaux produits contiennent des niveaux élevés en sels minéraux. Pour pallier ces inconvénients, il a été proposé d'appliquer dans cette étude, pour la première fois, une technologie verte, appelée électrodialyse avec membrane bipolaire (EDMB), comme méthode alternative à l'hydrolyse enzymatique conventionnelle de l'hémoglobine afin d'obtenir des peptides bioactifs purifiés. Les objectifs de cette thèse étaient de tester la faisabilité de ce nouveau procédé pour la production de peptides bioactifs à partir d'hémoglobine bovine, d'établir les conditions optimales, d'éviter le colmatage membranaire et d'appliquer un nouveau procédé original d'EDMB à « multiple-étapes » permettant la production de peptides bioactifs déminéralisés sans ajout de produits chimiques. Des configurations bipolaires/monopolaires (anioniques ou cationiques) utilisant les ions H⁺ et OH⁻ générés par les membranes bipolaires pour réguler le pH ont été étudiées et comparées à un procédé conventionnel utilisant des acides et des bases chimiques. La configuration d'EDMB formée avec les membranes cationiques a permis la production d'hydrolysats contenant une faible concentration en sels minéraux mais avec la présence d'un colmatage sur la membrane cationique, alors que la configuration d'EDMB utilisant des membranes anioniques a permis la production d'hydrolysats sans colmatage mais avec une concentration en sel similaire à celle de l'hydrolyse conventionnelle (contrôle). En se basant sur ces résultats, une nouvelle configuration d'EDMB à trois compartiments a été mise en place et étudiée pour dénaturer l'hémoglobine, inactiver la réaction enzymatique et déminéraliser l'hydrolysat peptidique en simultané. Une déminéralisation de 85% a été atteinte. Cependant, un colmatage a encore été observé sur la membrane anionique en raison de la précipitation de l'hème. Pour cette raison, une étape supplémentaire de décoloration a été réalisée avant la déminéralisation pour éviter le colmatage en utilisant l'acide électro-généré. Les peptides décolorés et déminéralisés récupérés ont montré une activité antioxydante, une activité antibactérienne contre plusieurs souches bactériennes (Gram+ et Gram-) et pour la première fois une activité antifongique contre de nombreuses souches de moisissures et de levures. Dans un contexte d'économie circulaire, cette technologie durable s'avèrerait efficace pour effectuer plusieurs opérations simultanément et présente un potentiel important au niveau industriel pour l'hydrolyse du sang, puisqu'elle produit des bio-peptides purifiés ayant une faible teneur en sels minéraux et pouvant être utilisés comme conservateurs naturels sur la viande. / Bovine cruor, a slaughterhouse waste, is produced in large quantities all around the world. This co-product is mainly composed of hemoglobin, a protein rich in bioactive peptides after its enzymatic hydrolysis. However, during conventional hydrolysis, chemical agents are necessary to adjust or regulate the pH of the solution and the final hydrolysates produced contain high levels of mineral salts. Therefore, in this study we applied for the first time a green technology named electrodialysis with bipolar membrane (EDBM) as an alternative method to the conventional enzymatic hydrolysis of hemoglobin to obtain purified bioactive peptides. The main objectives of the present thesis were to test the feasibility of this new process to produce bioactive peptides from bovine hemoglobin, to establish the optimal conditions while avoiding membrane fouling and to apply a new original « multiple-step » EDBM process allowing the production of demineralized bioactive peptides without the addition of chemical salts. Bipolar and monopolar (anionic or cationic) configurations using the H⁺ and OH⁻ generated by the bipolar membranes to regulate the pH were investigated and compared to a conventional process using chemical acid and base. The EDBM configuration formed with cationic membranes allowed the production of hydrolysates containing a low concentration of mineral salts but with fouling formation on the cationic membrane, while EDBM configuration formed with anionic membranes allowed the production of hydrolysates without fouling but with a salt concentration similar to the control. Based on these results, a new three-compartment EDBM configuration was carried-out to denaturate the hemoglobin, inactivate the enzymatic reaction, and demineralize the hemoglobin hydrolysate simultaneously. A demineralization level of 85% has been achieved. However, fouling was still observed on the anionic membrane due to hem precipitation. For this reason, an additional step of discoloration was tested before the demineralization to avoid fouling using the electrogenerated acid. The discolored and demineralized peptides recovered showed antioxidant activity, antibacterial activity against multiple bacterial strains (Gram+ and Gram-), and for the first time, antifungal activity against several molds and yeasts strains. Moving towards a circular economy, this sustainable technology was found to be effective in performing multiple operations simultaneously and has a great potential for industrial hydrolysis of blood, since it produces purified biopeptides with a low mineral content that can be used as natural preservatives on meat.

La glycochimie est un domaine qui prend de plus en plus d'expansion en chimie bioorganique et médicinale. Les glucides, étant la classe de biomolécules la plus répandue, sont des composants de plusieurs molécules bioactives naturelles et synthétiques. Ils présentent notamment un intérêt dans l'industrie pharmaceutique, puisqu'ils peuvent améliorer différentes propriétés pharmacocinétiques de certains composés. À ce jour, plus de 170 médicaments approuvés par les différentes organisations de la santé possèdent une unité glucidique dans leur structure. Ces molécules actives biologiquement ont une grande variété d'applications comme agents thérapeutiques : elles peuvent notamment être utilisées comme antibiotique ou encore comme médicament contre plusieurs types de cancers. Parmi ceux-ci, l'étoposide est un dérivé glycosylé semi-synthétique de la podophyllotoxine, un composé naturel isolé des espèces Podophyllum, et est employé pour le traitement de divers cancers. L'utilisation de ces deux molécules comme agents thérapeutiques est compromise par différents facteurs comme leur toxicité, les effets secondaires engendrés et leur faible solubilité dans l'eau. C'est pour ces raisons que plusieurs groupes de recherche travaillent sur le développement de nouveaux analogues du produit naturel qui seraient potentiellement moins toxiques, plus hydrophiles et dont l'activité biologique est améliorée, ou, du moins, non affectée. Ce mémoire présente la synthèse d'un dérivé de la glucosamine comportant un acide carboxylique et une amine dans sa structure. À partir de cette molécule, une nouvelle méthodologie synthétique d'oligosaccharides linéaires portant un groupement alcyne a été développée. Ces derniers ont pu être liés à la podophyllotoxine grâce à une réaction dite réaction click afin de générer de nouveaux dérivés glycoconjugués de la toxine. Les divers analogues obtenus diffèrent par le groupement retrouvé à la position C-2 du glucide terminal. Une voie de synthèse d'oligosaccharides utilisant les principes de couplage peptidique a donc été développée afin d'accéder à une librairie de nouveaux composés potentiellement actifs biologiquement. / There is a growing interest for the use of glycochemistry in the bioorganic and medicinal chemistry fields. Being the most abundant class of biomolecules, carbohydrates are components of various natural and synthetic bioactive products. They are of particular interest in the pharmaceutical industry since they can improve various pharmacokinetic properties of certain compounds. Nowadays, more than 170 commercially available drugs contain a carbohydrate unit in their structure. These biologically active molecules present a wide range of applications as therapeutic agents: they can be used as antibiotics or even as anticancer drugs. Among these, etoposide is a semi-synthetic glycosylated derivative of podophyllotoxin, a naturally occurring product in Podophyllum species, used as treatment of various cancers. The use of etoposide and podophyllotoxin as therapeutic agents is compromised by various problematics such as high toxicity, undesirable side effects and low water solubility. For these reasons, research groups are working on the development of new podophyllotoxin analogues that would potentially be less toxic, more hydrophilic and whose biological activity is either improved, or not affected. This thesis presents the synthesis of a glucosamine derivative bearing both a carboxyl and an amine group in its structure. From this molecule, a new synthetic methodology to access linear oligosaccharides carrying an alkyne group has been developed. These glycomolecules could be linked to podophyllotoxin by click reaction to generate new glycoconjugate derivatives of podophyllotoxin. Each analogue differs by the group found at the C-2 position on the terminal carbohydrate. Therefore, a new synthetic approach of oligosaccharides using the principles of peptide coupling has been developed to access a library of new potentially biologically active compounds.

Face à la demande mondiale de techniques de séparation des gaz efficaces ayant un impact minimal sur l'environnement, les technologies de séparation des gaz par membrane ont trouvé leur place sur le marché commercial de la séparation des gaz en tant qu'alternatives peu coûteuses et respectueuses de l'environnement. Le cœur d'une technologie de séparation des gaz par membrane est la membrane elle-même, et une sélection judicieuse de son matériau garantit la haute performance de la membrane pour l'application visée. L'un des matériaux les plus étudiés pour les membranes de séparation des gaz est le polymère. Cependant, comme les membranes polymères pures présentent un comportement compétitif entre perméabilité et sélectivité, les membranes à matrice mixte (MMM) sont apparues comme des candidats prometteurs. Les membranes à matrice mixte combinent une facilité de traitement supérieure, un faible coût et une perméabilité modérée des polymères avec une sélectivité élevée des charges. Le défi le plus important pour obtenir une MMM de haute performance est d'avoir une interface sans défaut entre le polymère et la charge pour éviter les perméabilités non sélectives. Cette thèse a étudié les membranes à matrice mixte de polyimide 6FDA-ODA basées sur différents réseaux organométalliques (MOF), comme un nouveau type de matériaux poreux avec de grandes surfaces spécifiques, des tailles de pores ajustables et des propriétés contrôlables pour des applications de séparation de gaz CO₂/CH₄ et CO₂/N₂. L'utilisation de différentes stratégies efficaces dans les techniques de fabrication des MMM et l'amélioration de la qualité de l'interface charge-polymère ont permis d'améliorer les propriétés des MMM et les performances de séparation des gaz, comme le montrent les mesures de perméation des gaz simples et mixtes, ainsi que les résultats des analyses chimiques, thermiques et mécaniques. Dans l'ensemble, les résultats obtenus ouvrent la voie à un développement plus poussé des membranes polymères pour la séparation des gaz. / As the global demands for efficient gas separation techniques with minimum impact on the environment have been intensively raised, membrane gas separation technologies found their place in the commercial gas separation market as low-cost and environmentally friendly alternatives. The heart of a membrane gas separation technology is the membrane itself, and a wise selection of its material guarantees the membrane’s high performance for the target application. One of the vastly studied materials for gas separation membranes is polymer. However, since neat polymeric membranes show a competitive behavior between permeability and selectivity, mixed matrix membranes (MMM) have emerged as promising candidates. Mixed matrix membranes combine superior processability, low cost and moderate permeability of the polymers with high selectivity of the fillers. The most significant challenge in obtaining a high-performance MMM is to have a defect-free interface between the polymer and the filler to avoid non-selective permeabilities. This thesis studied mixed matrix membranes of 6FDA-ODA polyimide based on various metal-organic frameworks (MOF), as a new type of porous materials with large specific surface areas, adjustable pore size, shape and dimensions, and controllable properties, for CO₂/CH₄ and CO₂/N₂ gas separation applications. Using different effective strategies in MMM fabrication techniques and improving the quality of the filler-polymer interface resulted in improved MMM properties and gas separation performance well supported by single and mixed gas permeation measurements, as well as chemical, thermal and mechanical analyses. Overall, the results obtained open the door for further development of polymer membranes for gas separation.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2019-2020 / Les maladies inflammatoires chroniques sont un fardeau de santé important à travers le monde. Les traitements actuellement disponibles soulagent la douleur et l’inflammation, mais leurs effets secondaires rendent leur utilisation à long terme risquée. À la lumière de cette problématique, la communauté scientifique s’intéresse au potentiel d’anti-inflammatoires naturels comme les endocannabinoïdes. Les endocannabinoïdes sont des lipides endogènes qui activent les récepteurs cannabinoïdes (CB1 et CB2). Ils régulent ainsi divers processus physiologiques tels l’appétit, l’adipogénèse et la nociception. Les deux endocannabinoïdes les mieux caractérisés, le 2-AG et l’AEA, peuvent également moduler l’inflammation en activant le récepteur CB2 à la surface des cellules immunitaires. Les souris déficientes pour le récepteur CB2 présentent un phénotype inflammatoire exacerbé, suggérant que ce récepteur est anti-inflammatoire. Cependant, le rôle des endocannabinoïdes dans l’inflammation est beaucoup plus complexe puisqu’ils peuvent être métabolisés en une grande variété de médiateurs lipidiques de l’inflammation. Leur voie de dégradation principale est leur hydrolyse en acide arachidonique (AA), qui sert de précurseur à la biosynthèse d’éicosanoïdes pro-inflammatoires comme le leucotriène B4 et la prostaglandine E2. Ils peuvent également être métabolisés directement par certaines enzymes impliquées dans la synthèse d’éicosanoïdes, pour générer des médiateurs comme les prostaglandines-glycérol (PG-G). Par conséquent, les endocannabinoïdes peuvent générer un profil unique d’effets pro- et anti-inflammatoires. Des stratégies thérapeutiques visant à bloquer l’hydrolyse des endocannabinoïdes pour amplifier leurs effets anti-inflammatoires ont été étudiées, mais une très grande proportion de cette recherche a été effectuée sur des animaux. Les façons dont les endocannabinoïdes sont synthétisés et dégradés par les leucocytes humains, ainsi les effets de leurs métabolites sur les fonctions de ces cellules, sont mal définis. Bien que les résultats obtenus dans des modèles animaux soient prometteurs, ces mécanismes doivent être mieux caractérisés chez l’humain avant qu’il ne soit envisageable de les manipuler afin de traiter les maladies inflammatoires. Le premier objectif de mon doctorat était de caractériser les voies de dégradation et de biosynthèse des endocannabinoïdes chez les leucocytes humains. Nous avons documenté l’expression de toutes les lipases hydrolysant le 2-AG, chez plusieurs types leucocytaires. Ces résultats ont souligné que chaque leucocyte exprime plusieurs 2-AG hydrolases et que les inhibiteurs sélectifs actuellement disponibles n’inhibent que partiellement l’hydrolyse du 2-AG chez ces cellules. Ces données ont également démontré que les leucocytes humains hydrolysent très efficacement le 2-AG, une découverte qui nous a permis de mettre en évidence une nouvelle voie de biosynthèse du 2-AG par les leucocytes. En présence d’inhibiteurs d’hydrolyse, les neutrophiles, éosinophiles et monocytes stimulés avec de l’AA ont produit des quantités de 2-AG environ 1000 fois supérieures aux niveaux rapportés dans la littérature. Ils ont également transformé d’autres acides gras polyinsaturés en leurs endocannabinoïdes-glycérol respectifs. Nous avons démontré que cette voie de biosynthèse est dépendante de la réacylation des acides gras dans les phospholipides membranaires, et que leur métabolisme subséquent en endocannabinoïdes implique possiblement l’acide lysophosphatidique comme intermédiaire. Cette étude est la première à rapporter une biosynthèse significative d’endocannabinoïdes par les leucocytes humains, et à démontrer que cette biosynthèse est indépendante de la voie classique de biosynthèse du 2-AG. Nous avions également pour objectif de caractériser l’impact du 2-AG et des PG-G sur les fonctions des leucocytes humains. Nous avons démontré qu’en présence d’IL-5, une cytokine impliquée dans l’inflammation éosinophilique présente dans l’asthme, le 2-AG induit une migration importante des éosinophiles. Cet effet du 2-AG requiert à la fois l’activation du récepteur CB2 et l’hydrolyse du 2-AG en AA pour produire des métabolites de la 15-lipoxygénase. Ceci souligne que l’hydrolyse du 2-AG permet la production de médiateurs causant des effets pro-inflammatoires et qu’il serait souhaitable de bloquer cette hydrolyse in vivo. Finalement, nous avons étudié l’effet de la PGE2-G sur les fonctions des neutrophiles et démontré qu’elle inhibe plusieurs fonctions effectrices de ces cellules. Cet effet inhibiteur nécessite l’hydrolyse de la PGE2-G en PGE2 par les neutrophiles, et l’activation du récepteur EP2 à leur surface. Nos travaux permettront de mieux comprendre la façon dont l’hydrolyse des endocannabinoïdes devrait être bloquée chez les humains, ainsi que tous les effets biologiques qui en découleront. Le but ultime est de développer de nouveaux traitements contre les maladies inflammatoires chroniques, qui maximiseront les effets analgésiques et anti-inflammatoires des endocannabinoïdes tout en limitant leurs effets néfastes. / Chronic inflammatory diseases are an important health burden worldwide. The currently available treatments alleviate pain and inflammation, but their numerous adverse effects make their long term use difficult. Therefore, the scientific community is studying the anti-inflammatory potential of mediators such as endocannabinoids. Endocannabinoids are endogenous lipids that activate the cannabinoid receptors, namely CB1 and CB2. In doing so, they regulate various physiological functions and cognitive processes functions such as appetite, adipogenesis and nociception. The two best-characterized endocannabinoids, 2-AG and AEA, also exert effects on immune cell functions, leading to the modulation of immunity and inflammation. They do so by activating the CB2 receptor, which is expressed in the periphery, notably on immune cells. Notably, it was shown that mice lacking the CB2 receptor display an exacerbated inflammatory phenotype, suggesting that CB2 activation by endocannabinoids is anti-inflammatory. However, the biological effects of endocannabinoids are far more complex, given that they can be metabolized into a wide variety of bioactive lipids. The main degradation pathway for 2-AG and AEA is their hydrolysis into arachidonic acid (AA), a fatty acid that acts a precursor for the biosynthesis of several pro-inflammatory eicosanoids such as leukotriene B4 and prostaglandin E2. They can also be directly metabolized by eicosanoid-biosynthetic enzymes, which generates mediators such as glyceryl-prostaglandins (PG-Gs). Therefore, endocannabinoids can generate an intriguing profile of pro- and anti-inflammatory effects, depending on the balance between their catabolic pathways and receptor activation. Therapeutic strategies aiming at blocking endocannabinoid hydrolysis to amplify their anti-inflammatory effects have been extensively studied. However, most of these studies were conducted in animals. Endocannabinoid metabolism by human leukocytes, as well as the effects of their metabolites on human leukocytes functions, are poorly defined. Although the data obtained from animal models is promising, these mechanisms must be characterized in humans before they can be manipulated to treat inflammatory diseases. Our first aim was to characterize endocannabinoid biosynthetic and hydrolytic pathways in human leukocytes. We documented the expression of several 2-AG hydrolases in human neutrophils, eosinophils, monocytes, lymphocytes and alveolar macrophages. The data we obtained underscored that each cell type expresses several 2-AG hydrolases, and that the selective inhibitors that are currently available only partially block 2-AG degradation by leukocytes. Our results also show that human leukocytes are experts at hydrolyzing 2-AG, a finding that allowed us to establish a novel 2-AG biosynthetic pathway in human leukocytes. In the presence of 2-AG hydrolysis inhibitors, neutrophils, eosinophils and monocytes stimulated with AA produced 2-AG in amounts ~ 1000 times greater than those previously reported. They also converted other polyunsaturated fatty acids into their glycerol-containing endocannabinoid counterparts. We showed that this endocannabinoid biosynthetic pathway depends on fatty acid reacylation into membrane phospholipids, and that their subsequent metabolism into endocannabinoid likely requires the production of a lysophosphatidic acid intermediate. This study is the first one to report a significant endocannabinoid synthesis by human leukocytes, and to show that this biosynthesis is independent from the classical 2-AG biosynthetic pathway. We also aimed to characterize the impact of 2-AG and PG-Gs on human leukocyte functions. We showed that in the presence of IL-5, a cytokine involved in the eosinophilic inflammation found in asthma, 2-AG induces eosinophil migration. This requires the activation of the CB2 receptor, as well as 2-AG hydrolysis into AA to produce 15-lipoxygenase metabolites. This underscores that 2-AG hydrolysis by eosinophils allows for the synthesis of mediators that have pro-inflammatory effects, and that blocking this hydrolysis in vivo may be beneficial. We also studied the biological effects of PGE2-G and found that it inhibits several effector functions of human neutrophils. This inhibitory effect requires PGE2-G hydrolysis into PGE2 by neutrophils, and the activation of the EP2 receptor on their surface. Our work will allow a better understanding of how endocannabinoid hydrolysis should be blocked in humans, and of the biological effects that will result from this inhibition. The goal is to develop new treatments against chronic inflammatory diseases, which will enhance the analgesic and anti-inflammatory effects of endocannabinoids while limiting their deleterious effects.

Face à la demande mondiale de techniques de séparation des gaz efficaces ayant un impact minimal sur l'environnement, les technologies de séparation des gaz par membrane ont trouvé leur place sur le marché commercial de la séparation des gaz en tant qu'alternatives peu coûteuses et respectueuses de l'environnement. Le cœur d'une technologie de séparation des gaz par membrane est la membrane elle-même, et une sélection judicieuse de son matériau garantit la haute performance de la membrane pour l'application visée. L'un des matériaux les plus étudiés pour les membranes de séparation des gaz est le polymère. Cependant, comme les membranes polymères pures présentent un comportement compétitif entre perméabilité et sélectivité, les membranes à matrice mixte (MMM) sont apparues comme des candidats prometteurs. Les membranes à matrice mixte combinent une facilité de traitement supérieure, un faible coût et une perméabilité modérée des polymères avec une sélectivité élevée des charges. Le défi le plus important pour obtenir une MMM de haute performance est d'avoir une interface sans défaut entre le polymère et la charge pour éviter les perméabilités non sélectives. Cette thèse a étudié les membranes à matrice mixte de polyimide 6FDA-ODA basées sur différents réseaux organométalliques (MOF), comme un nouveau type de matériaux poreux avec de grandes surfaces spécifiques, des tailles de pores ajustables et des propriétés contrôlables pour des applications de séparation de gaz CO₂/CH₄ et CO₂/N₂. L'utilisation de différentes stratégies efficaces dans les techniques de fabrication des MMM et l'amélioration de la qualité de l'interface charge-polymère ont permis d'améliorer les propriétés des MMM et les performances de séparation des gaz, comme le montrent les mesures de perméation des gaz simples et mixtes, ainsi que les résultats des analyses chimiques, thermiques et mécaniques. Dans l'ensemble, les résultats obtenus ouvrent la voie à un développement plus poussé des membranes polymères pour la séparation des gaz. / As the global demands for efficient gas separation techniques with minimum impact on the environment have been intensively raised, membrane gas separation technologies found their place in the commercial gas separation market as low-cost and environmentally friendly alternatives. The heart of a membrane gas separation technology is the membrane itself, and a wise selection of its material guarantees the membrane's high performance for the target application. One of the vastly studied materials for gas separation membranes is polymer. However, since neat polymeric membranes show a competitive behavior between permeability and selectivity, mixed matrix membranes (MMM) have emerged as promising candidates. Mixed matrix membranes combine superior processability, low cost and moderate permeability of the polymers with high selectivity of the fillers. The most significant challenge in obtaining a high-performance MMM is to have a defect-free interface between the polymer and the filler to avoid non-selective permeabilities. This thesis studied mixed matrix membranes of 6FDA-ODA polyimide based on various metal-organic frameworks (MOF), as a new type of porous materials with large specific surface areas, adjustable pore size, shape and dimensions, and controllable properties, for CO₂/CH₄ and CO₂/N₂ gas separation applications. Using different effective strategies in MMM fabrication techniques and improving the quality of the filler-polymer interface resulted in improved MMM properties and gas separation performance well supported by single and mixed gas permeation measurements, as well as chemical, thermal and mechanical analyses. Overall, the results obtained open the door for further development of polymer membranes for gas separation.