Doctor Educationis / In summary, it has been shown during this study that bimetallic Fe and Mn containing catalysts can be prepared by wet impregnation and not by ion exchange because of the competition between two different metals at different oxidation number. Only a single metallic phase catalyst could be prepared successfully by using ion exchange. / South Africa

Surface polarity and catalytic activity of inorganic solid acids The objective of this work is to quantify solvent influence on the surface polarity and catalytic activity of inorganic solid acids. Kamlet-Taft`s a (hydrogen-bond acidity), b (hydrogen-bond accepting ability) and p* (dipolarity/polarizability) parameters of various silicas, alumina, aluminosilicate, zeolites HZSM-5 and HY as well as of a siliceous MCM-41 material were determined using solvatochromic surface polarity indicators, which have been adsorbed on the solid acids from solvents of different polarity. The surface-mediated hydride-transfer reaction of 1,4-cyclohexadiene with triphenylmethylium induced by the solid acid catalysts, respectively, has been kinetically studied as function of the polarity of the surrounding solvent. The relative rate constant k? has been determined in ten different solvents. Correlation analyses between lg k? and the polarity parameters a, b, and p* of the solvents as well as of the catalysts surfaces are shown and discussed. Acid-base-interactions between solvent and catalyst mainly influence the reactivity and surface polarity of the solid acids. / Oberflächenpolarität und katalytische Aktivität anorganischer Feststoffsäuren Ein zentrales Anliegen der Arbeit ist die Quantifizierung des Lösungsmitteleinflusses auf die Oberflächenpolarität und die katalytische Aktivität anorganischer Feststoffsäuren. Die Oberflächenpolaritätsparameter a (Acidität), b (Basizität) und p* (Dipolarität/Polarisierbarkeit) von unterschiedlichen Kieselgelen und Zeolithen sowie von je einem Aluminiumoxid und Alumosilikat werden mittels solvatochromer Sondenmoleküle in Lösungsmitteln verschiedener Polarität bestimmt. Für die Hydridionenübertragung von 1,4-Cyclohexadien auf oberflächengeneriertes Triphenylmethylium wird in den genannten Fest-/Flüssig-Systemen die katalytische Aktivität untersucht und dazu die für den Katalysator normierte Geschwindigkeitskonstante k? [s-1m-2] ermittelt. Korrelationsanalysen zeigen Zusammenhänge zwischen lg k? und den Parametern a, b und p* der Lösungsmittel bzw. Feststoffoberflächen auf und werden diskutiert. Säure-Base-Wechselwirkungen zwischen Lösungsmittel und Katalysator sowie Solvatationseffekte haben einen entscheidenden Einfluss auf Reaktivität und Oberflächenpolarität. In Bezug auf Diffusionsvorgänge und Aktivierungsenergien spielt die Morphologie der Feststoffsäuren eine wichtige Rolle, wie beim Vergleich zwischen nanoporösem silikatischem MCM-41 und konventionellen Kieselsäuren festgestellt wird.

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El carácter adictivo del tabaco se debe fundamentalmente a la nicotina, mientras que su toxicidad se debe a una serie de sustancias tales como el monóxido de carbono, 1,3-butadieno, hidrocarburos policíclicos aromáticos (PAH) y las nitrosaminas específicas del tabaco (TSNAs), entre otros. La reducción de la toxicidad del humo del tabaco a través de la reducción de la emisión de los productos más problemáticos o la modificación de su composición en conjunto resultan alternativas muy interesantes, mientras se consigue la eliminación de este hábito. Se han localizado trabajos en la literatura encaminados a este fin. Con este objetivo, nuestro grupo de investigación lleva más de quince años estudiando el efecto que ciertos materiales micro y mesoporosos mezclados con el tabaco producen sobre la composición del humo obtenido en el proceso de fumado. En este sentido, en los últimos años se ha puesto de manifiesto la eficacia que presentan algunos silicatos mesoporosos, tales como SBA-15 y MCM-41 en la reducción de los alquitranes y la mayoría de los compuestos presentes en el humo del tabaco. Es por ello que se ha considerado que conocer el comportamiento de determinados compuestos específicos presentes en el humo de tabaco, como son la nicotina y dos nitrosaminas específicas del tabaco (NNK y NNN), los productos que se generan en su pirólisis y combustión, así como el efecto de los materiales mesoporosos mencionados en los procesos que tienen lugar durante el fumado del tabaco, sería de gran interés, y permitiría ayudar a diseñar productos de toxicidad reducida y menor carácter adictivo. A este respecto se han localizado muy escasos artículos en la bibliografía. Por todo ello, en el presente trabajo se aborda esta problemática y se plantea el estudio de la pirólisis de las dos nitrosaminas específicas del tabaco más cancerígenas, como son la 4-(N-metilnitrosoamino)-1-(3-piridinil)-butanona (NNK) y la N-nitrosonornicotina (NNN) mediante dos técnicas, TGA/FTIR y EGA/PY-GC/MS que son capaces de realizar experimentos a las velocidades de calefacción tan dispares que se dan en el proceso de fumado y tanto atmósfera inerte como atmósfera oxidante. También se estudia el comportamiento de la nicotina en EGA/PY-GC/MS, con objeto de completar el ya realizado por nuestro grupo de investigación la técnica de TGA/FTIR. Se estudia el efecto que producen tres silicatos mesoporosos (dos SBA-15 y un MCM-41) que presentan propiedades texturales y morfológicas diferentes, en la pirólisis catalítica de los tres compuestos anteriormente mencionados. Además, se analiza el efecto de la temperatura y la atmósfera (inerte y oxidante), en la degradación de la nicotina y las dos nitrosaminas mencionadas, y en la composición de los gases generados tras su descomposición. Se ha comprobado que en atmósfera oxidante los procesos de descomposición suceden a temperaturas más bajas, siendo especialmente notable este efecto en el caso de la nicotina. Así mismo, la presencia de los tres catalizadores favorece los procesos de descomposición de estos compuestos en ambas atmósferas, modifican la distribución de productos y favorecen la formación de residuo carbonoso. Los principales productos de descomposición de la nicotina en atmósfera inerte son la 3-etil-piridina, la miosmina y, especialmente la 3-vinilpiridina, que aumentan su contribución al aumentar la temperatura. Algunos compuestos como la miosmina presentan un máximo en su evolución, lo que indica que experimentan procesos de craqueo. En atmósfera oxidante se produce un cambio muy significativo en la distribución de productos, además de la mayor reactividad ya mencionada. Los productos mayoritarios pasan a ser la 3-cianopiridina, la nicotirina, la miosmina, el dióxido de carbono y el agua. La 3-cianopiridina y la 3-hidroxipiridina, muestran una tendencia creciente con la temperatura, mientras que el resto de los compuestos presentan evidencias de reacciones secundarias, poniendo de manifiesto que la presencia de oxígeno en el medio favorece las reacciones de descomposición de la nicotina y de muchos de los productos generados. La nicotina genera cianuro de hidrógeno en ambas atmósferas. Los tres catalizadores estudiados aceleran el proceso de descomposición de la nicotina y conducen a una mayor formación de residuo carbonoso, siendo el MCM-41 el material que ocasiona un mayor efecto, probablemente debido a su mayor superficie específica y buena accesibilidad de su porosidad debida a su morfología (aunque presente un menor tamaño de poro que los otros catalizadores). En atmósfera inerte la presencia de SBA-15f (SBA-15 fibras), apenas modifica el comportamiento de la nicotina, mientras que tanto MCM-41 como SBA-15p (SBA-15 platelet) se reduce la formación de algunos compuestos como la 3-vinilpiridina, incrementándose la formación de otros como quinolina e isoquinolina. En atmósfera oxidante los cambios son más significativos, ya que todos los catalizadores favorecen las reacciones de oxidación y descarboxilación, incrementando la generación de dióxido de carbono y disminuyendo la formación de agua, especialmente MCM-41 y SBA15p. MCM-41 reduce notablemente la formación de 3-cianopiridina y de nicotirina al aumentar la temperatura, a diferencia de lo observado en la nicotina, tanto sola como en presencia de los dos SBA-15. Ambas nitrosaminas han presentado unos resultados en la línea de los comentados para la nicotina. Se ha observado que la degradación completa de ambos compuestos sucede a temperaturas ligeramente inferiores para atmósfera oxidante, y presenta variaciones en la composición de los gases generados. Se ha podido comprobar cómo, de los tres materiales estudiados, el MCM-41 es el que provoca mayor modificación de la degradación térmica de ambas nitrosaminas, favoreciendo la generación de residuo en atmósfera inerte. En cuanto a la composición de los productos generados tras la pirólisis de NNK, ambos SBA-15 han mostrado una modificación clara de la distribución de los mismos. También se ha podido observar como en el caso de la NNN, algunos de sus productos de descomposición reducen su contribución a máxima temperatura, observándose tendencias decrecientes y algún máximo en función de la temperatura. Por otro lado, los resultados de termogravimetría para ambas nitrosaminas se han ajustado a un sencillo modelo cinético que permite estimar las áreas de cada uno de los procesos de pérdida de peso observados, pudiéndose realizar de esta forma un análisis más claro del efecto de los catalizadores utilizados basado en las distintas fracciones asociadas a cada uno de los procesos. El caso de la NNK presenta tres procesos de pérdida de peso a 194, 299 y 368 ºC en atmósfera inerte y tres procesos a 208, 299 y 648 ºC en atmósfera oxidante, siendo el principal el que tiene lugar a 299 ºC con un 81.8 y 66.4 % de contribución relativa para atmósfera inerte y oxidante, respectivamente. La NNN ha mostrado dos procesos de pérdida de peso, a 190 y 218 ºC en atmósfera inerte y a 180 y 207 ºC en oxidante. Los tres materiales mesoporosos estudiados han mostrado, para ambas nitrosaminas, modificaciones en la temperatura e intensidad de los procesos observados. Este efecto se hace más notable en aire donde se observa un nuevo proceso térmico a altas temperaturas, siendo especialmente notable este efecto con MCM-41. El experimento con este material para la NNK ha presentado cuatro procesos de pérdida de peso a 197, 232, 281, 414 ºC para atmósfera inerte y oxidante, variando la contribución relativa entre ellos. En el caso de la NNN, el experimento con MCM-41 ha mostrado tres procesos a 190, 218 y 260 ºC para atmósfera inerte y a 180, 207 y a 610 ºC en atmósfera oxidante. Para ambas nitrosaminas en atmósfera oxidante, los gases analizados para los tres materiales han mostrado un aumento considerable (principalmente por el MCM-41) de las bandas de CO2 y CO a temperaturas elevadas, respecto al experimento sin catalizador. Este aumento se ha debido a la degradación oxidativa del residuo carbonoso generado.

<p>Minimum cycle mean (MCM) is an important concept in directed graphs. From clock period optimization, timing analysis to layout optimization, minimum cycle mean algorithms have found widespread use in VLSI system design optimization. With transistor size scaling to 10nm and below, complexities and size of the systems have grown rapidly over the last decade. Scalability of the algorithms both in terms of their runtime and memory usage is therefore important. </p> <p><br></p> <p>Among the few classical MCM algorithms, the algorithm by Young, Tarjan, and Orlin (YTO), has been particularly popular. When implemented with a binary heap, the YTO algorithm has the best runtime performance although it has higher asymptotic time complexity than Karp's algorithm. However, as an efficient implementation of YTO relies on data redundancy, its memory usage is higher and could be a prohibitive factor in large size problems. On the other hand, a typical implementation of Karp's algorithm can also be memory hungry. An early termination technique from Hartmann and Orlin (HO) can be directly applied to Karp's algorithm to improve its runtime performance and memory usage. Although not as efficient as YTO in runtime, HO algorithm has much less memory usage than YTO. We propose several improvements to HO algorithm. The proposed algorithm has comparable runtime performance to YTO for circuit graphs and dense random graphs while being better than HO algorithm in memory usage. </p> <p><br></p> <p>Minimum balancing of a directed graph is an application of the minimum cycle mean algorithm. Minimum balance algorithms have been used to optimally distribute slack for mitigating process variation induced timing violation issues in clock network. In a conventional minimum balance algorithm, the principal subroutine is that of finding MCM in a graph. In particular, the minimum balance algorithm iteratively finds the minimum cycle mean and the corresponding minimum-mean cycle, and uses the mean and cycle to update the graph by changing edge weights and reducing the graph size. The iterations terminate when the updated graph is a single node. Studies have shown that the bottleneck of the iterative process is the graph update operation as previous approaches involved updating the entire graph. We propose an improvement to the minimum balance algorithm by performing fewer changes to the edge weights in each iteration, resulting in better efficiency.</p> <p><br></p> <p>We also apply the minimum cycle mean algorithm in latency insensitive system design. Timing violations can occur in high performance communication links in system-on-chips (SoCs) in the late stages of the physical design process. To address the issues, latency insensitive systems (LISs) employ pipelining in the communication channels through insertion of the relay stations. Although the functionality of a LIS is robust with respect to the communication latencies, such insertion can degrade system throughput performance. Earlier studies have shown that the proper sizing of buffer queues after relay station insertion could eliminate such performance loss. However, solving the problem of maximum performance buffer queue sizing requires use of mixed integer linear programming (MILP) of which runtime is not scalable. We formulate the problem as a parameterized graph optimization problem where for every communication channel there is a parameterized edge with buffer counts as the edge weight. We then use minimum cycle mean algorithm to determine from which edges buffers can be removed safely without creating negative cycles. This is done iteratively in the similar style as the minimum balance algorithm. Experimental results suggest that the proposed approach is scalable. Moreover, quality of the solution is observed to be as good as that of the MILP based approach.</p><p><br></p>

Το π–κυμένιο (p–ισοπρόπυλο τολουόλιο) είναι ένα πολύ σημαντικό προϊόν με μεγάλο εμπορικό ενδιαφέρον, καθώς αποτελεί κύριο συστατικό πολλών καλλυντικών, αρωμάτων, φαρμακευτικών προϊόντων, καθώς και την πρώτη ύλη για την παραγωγή της p–κρεσόλης. Η τρέχουσα διαδικασία παραγωγής του π–κυμενίου είναι η κατά Friedel–Crafts αλκυλίωση του τολουολίου με προπυλένιο ή προπανόλη–2, η οποία χρησιμοποιεί μεγάλες ποσότητες επιβλαβών οξέων, προκαλώντας πολλά προβλήματα χειρισμού στους εργαζόμενους με αυτό, προβλήματα διάβρωσης και προβλήματα διάθεσης των παραγόμενων αποβλήτων. Τα τελευταία χρόνια, η Πράσινη Χημεία έχει παρουσιασθεί ως η νέα προσέγγιση της Χημείας για την πρόληψη της μόλυνσης του περιβάλλοντος, καθώς και του σχεδιασμού χημικών προϊόντων και διεργασιών που είναι περισσότερο φιλικά προς το περιβάλλον. Η κατάλυση αποτελεί μία από τις κύριες αρχές, αλλά ταυτόχρονα και εργαλείο της Πράσινης Χημείας. Πιο συγκεκριμένα η ετερογενής κατάλυση, που εξυπηρετεί τους στόχους της Πράσινης Χημείας, λόγω της εξάλειψης της ανάγκης διαχωρισμού του παραγόμενου προϊόντος από τον καταλύτη. Επίσης, μία άλλη βασική παράμετρος της Πράσινης Χημείας είναι η χρήση της βιομάζας, ως ανανεώσιμη πρώτη ύλη, με σκοπό την παραγωγή ενέργειας και χημικών προϊόντων. Στην παρούσα εργασία, μελετάται η δυνατότητα καταλυτικής παραγωγής π–κυμενίου, βασιζόμενη στις αρχές της Πράσινης Χημείας. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται ως αντιδρών το α–λεμονένιο, ένα μονοτερπένιο το οποίο αποτελεί ανανεώσιμη πρώτη ύλη, καθώς είναι παραπροϊόν της βιομηχανίας χυμών λεμονιού και πορτοκαλιού, καθώς και της βιομηχανίας χάρτου και πολτού. Πιο αναλυτικά, μελετήθηκε η καταλυτική συμπεριφορά οξειδίων με μεγάλη ειδική επιφάνεια, όπως η SiO2, το MCM–41, ο ζεόλιθος NaY, η γ–Al2O3 και δύο δείγματα TiO2, με διαφορετικές ειδικές επιφάνειες, στην αντίδραση μετατροπής του λεμονενίου προς π–κυμένιο. Επίσης, ερευνήθηκε η επίδραση στη διεργασία τόσο της θερμοκρασίας της αντίδρασης, όσο και της σύστασης της ατμόσφαιρας κάτω από την οποία διεξαγόταν η αντίδραση. Τα πειράματα διεξήχθησαν σε αντιδραστήρα σταθερής κλίνης – ατμοσφαιρικής πίεσης, ενώ για την ανάλυση των λαμβανόμενων προϊόντων χρησιμοποιήθηκε αέριος χρωματογράφος – φασματογράφος μάζας (GC–MS). Από τους καταλύτες που μελετήθηκαν ο πιο αποτελεσματικός αποδείχθηκε η τιτάνια με τη σχετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια ακολουθούμενη από την τιτάνια με την χαμηλότερη ειδική επιφάνεια, τον ζεόλιθο NaY και τη γ–Al2O3. Τόσο η σίλικα όσο και το MCM–41 παρουσίασαν μάλλον αμελητέα δραστικότητα. Επίσης, παρατηρήθηκε ότι η απόδοση σε π–κυμένιο αυξανόταν γενικά με τη θερμοκρασία, ενώ δεν επηρεαζόταν πρακτικά από την ατμόσφαιρα που διεξαγόταν η αντίδραση. Τέλος, στους 300 οC και χρησιμοποιώντας την τιτάνια με τη σχετικά μεγάλη ειδική επιφάνεια ως καταλύτη επιτεύχθηκε 90% απόδοση για το π–κυμένιο και 100% μετατροπή για το λεμονένιο. Η αυξημένη απόδοση της τιτάνιας αποδόθηκε σε επιτυχή συγκερασμό ανάμεσα στη σχετικά μεγάλη οξύτητα Brönsted και στη σχετικά εύκολη μεταβολή του λόγου Ti(IV)/Ti(III) κατά τη διάρκεια της αντίδρασης. Τα κινητικά αποτελέσματα επέτρεψαν να γραφεί ένα κινητικό σχήμα για τη διεργασία. / P–cymene is a very important product with great commercial interest because of its use as a main ingredient of cosmetics, perfumes and pharmaceutical products as well as raw material for the production of p–cresol. Current production is achieved by using the Friedel–Crafts reaction of toluene with propylene or propanol–2 which uses large quantities of harmful acids which, in turn, leads to industrial accidents, corrosion problems and the general difficulty of handling toxic wastes. A new concept of chemistry has been developed for confronting environmental problems. Green Chemistry is related to products and processes that are environmentally friendly. One of the basic tools of Green Chemistry is catalysis, mainly heterogeneous catalysis, because it allows the easy separation of the catalysts used from the final product. Moreover, following the principles of the Green Chemistry, biomass should be used in the production of renewable energy and chemical products. The present Thesis deals with the catalytic production of p–cymene based on the principles of Green Chemistry. In particular, we use a–limonene, by–product of the juice of orange and lemon industry as well as the paper industry, to produce p–cymene. A number of oxides with large specific surface area, such as SiO2, MCM–41, zeolite NaY, γ–Al2O3 and two samples of TiO2, were studied as catalysts. The effect of the reaction temperature and the composition of the atmosphere were also studied. All experiments were conducted on a fixed bed micro–reactor operating under atmospheric pressure coupled with an on–line Gas Chromatograph–Mass Spectrometer (GC – MS). The titania with the relatively high specific surface area was proved to be the most efficient catalyst among those studied. The following activity series has been obtained: «high surface area titania > small surface area titania > zeolite NaY > γ–Al2O3 > MCM–41 > SiO2». Negligible activity is exhibited by MCM–41 and SiO2. The percentage yield for p–cymene increases with temperature whereas is practically independent from the carrier gas. Very high percentage yield for p–cymene was obtained at 300οC over the high specific surface area titania (~90%). Complete transformation of a–limonene was obtained over the above catalyst at the same temperature. The very high activity obtained over this catalyst was attributed to good compromise between high acidity and easy transformation of the ratio Ti(IV)/Ti(III) during reaction. The kinetic results allow the clarification of the reaction scheme.

Thèse numérisée par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Genes encode proteins, some of which in turn regulate other genes. Such interactions make up gene regulatory relationships or (dynamic) gene regulatory networks. With advances in the measurement technology for gene expression and in genome sequencing, it has become possible to measure the expression level of thousands of genes simultaneously in a cell at a series of time points over a specific biological process. Such time-course gene expression data may provide a snapshot of most (if not all) of the interesting genes and may lead to a better understanding gene regulatory relationships and networks. However, inferring either gene regulatory relationships or networks puts a high demand on powerful computational methods that are capable of sufficiently mining the large quantities of time-course gene expression data, while reducing the complexity of the data to make them comprehensible. This dissertation presents several computational methods for inferring gene regulatory relationships and gene regulatory networks from time-course gene expression. These methods are the result of the authors doctoral study. Cluster analysis plays an important role for inferring gene regulatory relationships, for example, uncovering new regulons (sets of co-regulated genes) and their putative cis-regulatory elements. Two dynamic model-based clustering methods, namely the Markov chain model (MCM)-based clustering and the autoregressive model (ARM)-based clustering, are developed for time-course gene expression data. However, gene regulatory relationships based on cluster analysis are static and thus do not describe the dynamic evolution of gene expression over an observation period. The gene regulatory network is believed to be a time-varying system. Consequently, a state-space model for dynamic gene regulatory networks from time-course gene expression data is developed. To account for the complex time-delayed relationships in gene regulatory networks, the state space model is extended to be the one with time delays. Finally, a method based on genetic algorithms is developed to infer the time-delayed relationships in gene regulatory networks. Validations of all these developed methods are based on the experimental data available from well-cited public databases.

Genes encode proteins, some of which in turn regulate other genes. Such interactions make up gene regulatory relationships or (dynamic) gene regulatory networks. With advances in the measurement technology for gene expression and in genome sequencing, it has become possible to measure the expression level of thousands of genes simultaneously in a cell at a series of time points over a specific biological process. Such time-course gene expression data may provide a snapshot of most (if not all) of the interesting genes and may lead to a better understanding gene regulatory relationships and networks. However, inferring either gene regulatory relationships or networks puts a high demand on powerful computational methods that are capable of sufficiently mining the large quantities of time-course gene expression data, while reducing the complexity of the data to make them comprehensible. This dissertation presents several computational methods for inferring gene regulatory relationships and gene regulatory networks from time-course gene expression. These methods are the result of the authors doctoral study. Cluster analysis plays an important role for inferring gene regulatory relationships, for example, uncovering new regulons (sets of co-regulated genes) and their putative cis-regulatory elements. Two dynamic model-based clustering methods, namely the Markov chain model (MCM)-based clustering and the autoregressive model (ARM)-based clustering, are developed for time-course gene expression data. However, gene regulatory relationships based on cluster analysis are static and thus do not describe the dynamic evolution of gene expression over an observation period. The gene regulatory network is believed to be a time-varying system. Consequently, a state-space model for dynamic gene regulatory networks from time-course gene expression data is developed. To account for the complex time-delayed relationships in gene regulatory networks, the state space model is extended to be the one with time delays. Finally, a method based on genetic algorithms is developed to infer the time-delayed relationships in gene regulatory networks. Validations of all these developed methods are based on the experimental data available from well-cited public databases.

Finite impulse response (FIR) digital filters are frequently used in many digital signal processing and communication applications, such as IS-95 CDMA, Digital Mobile Phone Systems (D-AMPS), etc. FIR filter achieves the frequency response of system requirement using a series of multiplications and additions. Previous papers on FIR hardware implementations usually focus on reducing area and delay of the multiple constant multiplications (MCM) through common sub-expression elimination (CSE) in the transpose FIR filter structure. In this thesis, we first perform optimization for the quantization of FIR filter coefficients that satisfy the target frequency response. Then suitable encoding methods are adopted to reduce the height of the partial products of the MCM in the direct FIR filter structure. Finally, by jointly considering the errors in the truncated multiplications and additions, we can design the hardware-efficient FIR filter that meets the bit accuracy requirement. Experimental results show that although CSE in the transpose FIR structure can reduce more area in MCM, the direct form takes smaller area in registers. Compared with previous approaches, the proposed FIR implementations with direct form has the minimum area cost.