In the adaptation to the oxidative environment on earth, metals played a crucial role for the evolution of life. The presence of metals also allowed access to advanced functions due to their unique coordination sphere and reactivity. This thesis focused on exploiting these unique properties for further development of the field of dynamic chemistry – a field in which adaptation plays a central role as well. The first part of the thesis aimed to create a better understanding of multivalent effects in carbohydrate-lectin interactions. By reversible ligand coordination to zinc ions one of the nanoplatforms, the Borromean rings, could be selectively obtained. After carbohydrate functionalization the binding events were monitored by quartz crystal microbalance technology and compared to glycosylated fullerenes and dodecaamide cages. Overall, this investigation indicated that statistical and polyelectrolyte effects play a considerable role in the observed multivalent effects. The second part of the thesis aimed to design and synthesize a new catalyst for application in aqueous olefin metathesis. This afforded a ruthenium based catalyst that was applied in the self- and cross-metathesis of highly functionalized substrates, such as carbohydrates. In addition, it was shown that addition of a small amount of acetic acid prevented undesired double bond isomerization. The last part of the thesis aimed to explore new methods to discover transition metal catalysts. Dynamic exchange of directing groups generated a pool of potential substrates for C-H activation. Combining this pool of substrates with a pool of potential catalysts resulted in amplification of a reactive substrate/metal combination. By iterative deconvolution in combination with mass spectrometry, this “intermediate” could be identified from the mixture, proving applicability of this alternative approach to catalyst discovery. / <p>QC 20170809</p>

Le réacteur à inversion de flux pour retenir et recycler la chaleur est une technologie efficace qui intègre la réaction chimique et la réutilisation de la chaleur dégagée lors de la réaction. Cette technologie a été considérablement commercialisée et industrialisée, vue l'amélioration de la productivité du réacteur et vue l'intensification du procédé qu'elle offrirait. Par analogie chaleur-matière, il a été voulu, par l'actuel travail de doctorat, évaluer la technologie d'inversion de flux et la combinaison de la réaction chimique et de la séparation et la rétention du catalyseur (matière) dans un seul réacteur adsorbeur multifonctionnel. La métathèse des oléfines qui utilise des catalyseurs moléculaires -qui ne sont pas/ ne peuvent pas être efficacement et parfaitement immobilisés et hétérogénéisés sur un support solide- peut être réalisée dans le réacteur adsorbeur à inversion de flux, qui prétend permettre de séparer, de recycler et de retenir les catalyseurs. La réaction cible dans cette thèse est l'homo-métathèse de l'oléate de méthyle. D'abord, un modèle cinétique pour décrire cette réaction et la transformation du réactif a été développé et proposé en suivant une approche micro-cinétique. Ensuite, ce modèle a été ajusté par rapport aux résultats expérimentaux pour optimiser et accéder aux paramètres cinétiques de la réaction. Le modèle cinétique, ainsi obtenu, permettra après son intégration dans le modèle du réacteur adsorbeur à inversion de flux, de prédire la conversion du réactif et sa concentration à la sortie. Le réacteur adsorbeur à inversion de flux, a été étudié et évalué, par la modélisation et par une étude théorique calculatoire, pour avoir une meilleure compréhension de son comportement, et aussi de l'influence des conditions opératoires sur le procédé (perte de catalyseur, conversion, productivité, etc.). Le design de réacteur qui a été proposé dans cette étude et ce travail est une colonne à lit fixe d'adsorbant, avec inversion de flux. Les résultats de simulation du réacteur adsorbeur à inversion de flux pour retenir et recycler les catalyseurs moléculaires ont montré l'intensification du procédé que peut offrir cette technologie en se référant à un réacteur continu conventionnel (réacteur tubulaire monophasique). Il a été montré aussi qu'il n'est pas possible d'atteindre un régime permanent, sans appoint et rajout du catalyseur pour compenser les pertes, dues aux phénomènes physiques indissociables au réacteur. Par la suite, un dispositif expérimental a été construit pour vérifier et valider les résultats de simulations ainsi obtenus, et aussi pour démonter, à l'échelle pilote, la faisabilité de la technologie d'inversion de flux avec adsorption pour séparer l'adsorbé et le retenir à l'intérieur de la colonne. Et similairement au réacteur à inversion de flux pour le recyclage et la réutilisation de la chaleur, le réacteur adsorbeur à inversion de flux pour séparer et recycler le catalyseur, peut lui aussi, avoir un comportement asymptotique sous certaines conditions opératoires, et s'approcher du fonctionnement du réacteur adsorbeur à contre-courant. Par la modélisation et le calcul numérique, il a été établi le domaine des conditions opératoires dans lesquelles, les réacteurs adsorbeurs à inversion de flux et à contre-courant sont équivalents. Le modèle asymptotique à contre-courant permet de calculer et de pré-dimensionner plus rapidement le réacteur à inversion de flux / The reverse flow reactor for heat trapping is an efficient technology that integrates the chemical reaction and the recovery of the heat of the reaction. This technology was widely commercialized and applied in industry because of the reactor productivity enhancement and the process intensification it offers. By heat-matter analogy, we wanted, in this thesis, to evaluate the reverse flow technique and the combination of the chemical reaction with the trapping and the recycling of the catalyst (matter) in one single multi-functional adsorber reactor. The metathesis of olefins that uses molecular catalysts -which are imperfectly immobilized and heterogeneized on the solid support- can be performed in the reverse flow adsorber reactor that claims to separate, recycle and trap the catalyst. The targeted reaction is the self-metathesis of methyl oleate. Thus, a kinetic model of the reaction was developed using a micro-kinetic approach. The obtained kinetic model was fitted to the experiences to get the kinetic parameters values. Then, the kinetic model can be integrated in the reverse flow adsorber reactor model to predict the conversion and the outlet methyl oleate concentration. The reverse flow reactor adsorber was evaluated and studied (by modeling and theoretical study) to have a better understanding of its behavior, and of the operating parameters influence on the process (catalyst leaching, conversion, productivity, etc.). A single fixed bed adsorption column is proposed as a design for the reverse flow adsorber reactor. The simulation results show the process intensification that offers the reverse flow adsorber reactor for catalyst trapping in comparison with a conventional continuous reactor (continuous flow tubular reactor). They also show that it is not possible to reach a stable operation and a permanent regime without catalyst makeup that compensate the leaching. Then, an experimental setup was built to verify, to validate the simulations results, and to demonstrate, at the pilot scale, the feasibility of the reverse flow technology to separate and to trap the adsorbate inside the adsorber. And similarly to the reverse flow reactor for heat trapping, the reverse flow adsorber reactor for catalyst trapping and separation can have an asymptotic behavior under certain operating conditions, and approaches the operation of a counter current adsorber reactor. By modeling and numerical calculation, it has been determined the operating conditions, at which, the reverse flow and the counter current adsorber reactors are equivalents. The counter current asymptotic model allow a rapid reverse flow reactor computing and pre-design

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Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes. / This research consists in the study of the reactivity and selectivity of new chiral Ru-based olefin metathesis catalysts in ring-closing metathesis (RCM) reactions. The study focused on evaluating new catalysts possessing C1- symmetric NHC (N-heterocyclic carbene) ligands developed in our laboratories for asymmetric desymmetrization reactions of meso-trienes. The research was divided into two distinct sections, the first concerns the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) processes that form trisubstituted olefins from meso-trienes. The second concerns the RCM and ARCM processes that form tetrasubstituted olefins from meso-trienes. It can be observed that there is no precedent in the literature concerning the formation of tetrasubstituted olefins via ARCM. During the investigation concerning the formation of trisubstituted olefins, a kinetic study was done to have better understanding of the catalyst selectivity. With this study in hand, it was possible to observe the effect induced by the N-alkyl group on the catalysts’ reactivity. A selectivity study was done to observe if the Nalkyl group could affects the catalysts’ selectivity. These investigations were done using a variety of meso-trienes in desymmetrization reactions to afford trisubstituted olefins. Concerning the formation of tetrasubstituted olefins, the catalysts’ reactivity was investigated in RCM processes involving diethyldimethallyl malonates. Once again, an effect induced by the N-alkyl group was observed concerning the reactivity of the catalysts. A selectivity study was performed. As for ARCM processes forming trisubstituted olefins, the N-alkyl group also had an impact on the selectivity of the catalysts. This investigation was done with ARCM desymmetrization of meso-trienes.

L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique. / The interest in helicenes has increased as new potential applications have been proposed for these twisted conjugated aromatics. However, further research is limited by the lack of methods for the enantioselective synthesis of helicenes. The current traditional syntheses often conclude with a resolution, most often via separation on a chiral stationary phase. This thesis describes the development of new catalytic method for the synthesis of helicenes using ring closing metathesis (RCM) employing highly reactive Ru-based catalysts or commercially available catalysts and microwave heating. Furthermore, an enantioselective variant of the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) reactions was developed for the synthesis of enantioenriched [7]helicene via a kinetic resolution protocol. The development of the kinetic resolution involved the preparation and screening of a number of novel chiral Ru-based olefin metathesis catalysts. During these studies, the beneficial effect of simple olefins additives on the selectivity of the reaction was observed and a hypothesis to explain these effects has been proposed. In addition, intriguing solvent effects were also observed. Lastly, this thesis describes the investigation of a new method for the preparation of binaphthol via an oxidative coupling with a novel copper catalyst bearing two N-heterocyclic carbene (NHC) ligands. It was demonstrated that the cationic catalyst allowed for the formation of mixed oxidative couplings between electron rich and electron poor 2-naphthols to form C1-symmetric binaphthol derivatives.

In the last decade, there has been a growing interest in the use of differential sensing for molecular recognition. Inspired by the mammalian olfactory system, differential sensing employs an array of non-selective receptors, which through cross-reactive interactions, create a distinct pattern for each analyte tested. The unique fingerprints obtained for each analyte with differential sensing are studied with statistical analysis techniques, such as principal component analysis and linear discriminant analysis. It was postulated that serum albumin proteins would be applicable to differential sensing schemes due to significant differences in sequence identity between different serum albumin species, and due to the wide range of hydrophobic molecules which are known to bind to these proteins. Consequently, cross-reactive serum albumin arrays were developed, utilizing hydrophobic fluorescent indicators to detect hydrophobic molecules. As such, serum albumin cross-reactive arrays were employed to discriminate subtly different hydrophobic analytes, and mixtures of these analytes, in the form of terpenes and perfumes, plasticizers and plastic explosive mixtures, and glycerides and adipocyte extracts. In this doctoral work, a detailed review of the field of differential sensing, and a thorough study of principal component analysis and linear discriminant analysis in various differential sensing scenarios, are given. These introductory chapters aid in better understanding the methods and techniques applied in later experimental chapters. In chapter 3, serum albumins, a PRODAN indicator, and an additive are shown to discriminate five terpene analytes and terpene doped perfumes. Chapter 4 describes an array with serum albumins, two dansyl fluorophores, and an additive which successfully differentiate the plasticizers found within the plastic explosives C4 and Semtex and simulated C4 and Semtex mixtures. Discrimination of these simulated mixtures was also achieved with this array in the presence of soil contaminants, demonstrating the potential real-world applicability of this sensing ensemble. Finally, chapter 5 details an array consisting of serum albumins, several fluorescent indicators, and a Grubb's olefin metathesis reaction, to differentiate saturated and unsaturated triglycerides, diglycerides, and monoglycerides. Mixtures of glycerides in adipocyte extracts taken from rats with different health states were then successfully discriminated, showing promise for clinical applications in differentiating adipoctyes from pre-diabetic, type 2 diabetic, and non-diabetic individuals. / text

Ce projet de recherche consiste en l’étude de la réactivité et de la sélectivité de nouveaux catalyseurs de métathèse d’oléfines à base de ruthénium lors de réaction de fermeture de cycle par métathèse d’oléfines (RCM). L’emphase de cette étude repose sur l’évaluation de nouveaux catalyseurs possédant un ligand NHC (carbène N-hétérocyclique) C1-symétrique développés par le laboratoire Collins pour des réactions de désymétrisations asymétriques de méso-triènes par ARCM. Le projet a été séparé en deux sections distinctes. La première section concerne la formation d’oléfines trisubstituées par ARCM de méso-triènes. La seconde section consiste en la formation d’oléfines tétrasubstituées par le biais de la RCM de diènes et de la ARCM de méso-triènes. Il est à noter qu’il n’y a aucun précédent dans la littérature concernant la formation d’oléfines tétrasubstituées suite à une désymétrisation par ARCM. Lors de l’étude concernant la formation d’oléfines trisubstituées, une étude de cinétique a été entreprise dans le but de mieux comprendre la réactivité des différents catalyseurs. Il a été possible d’observer que le groupement N-alkyle a une grande influence sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation d’une variété de méso-triènes. En ce qui a trait à la formation d’oléfines tétrasubstituées, une étude de la réactivité des différents catalyseurs a été effectuée par l’intermédiaire de malonates de diéthyldiméthallyle. Il a encore une fois a été possible d’observer que le groupement N-alkyle possède un effet important sur la réactivité du catalyseur. Une étude de sélectivité a ensuite été entreprise pour déterminer si le groupement iv N-alkyle génère aussi un effet sur la sélectivité des catalyseurs. Cette étude a été effectuée par l’entremise de réactions de désymétrisation de différents mésotriènes. / This research consists in the study of the reactivity and selectivity of new chiral Ru-based olefin metathesis catalysts in ring-closing metathesis (RCM) reactions. The study focused on evaluating new catalysts possessing C1- symmetric NHC (N-heterocyclic carbene) ligands developed in our laboratories for asymmetric desymmetrization reactions of meso-trienes. The research was divided into two distinct sections, the first concerns the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) processes that form trisubstituted olefins from meso-trienes. The second concerns the RCM and ARCM processes that form tetrasubstituted olefins from meso-trienes. It can be observed that there is no precedent in the literature concerning the formation of tetrasubstituted olefins via ARCM. During the investigation concerning the formation of trisubstituted olefins, a kinetic study was done to have better understanding of the catalyst selectivity. With this study in hand, it was possible to observe the effect induced by the N-alkyl group on the catalysts’ reactivity. A selectivity study was done to observe if the Nalkyl group could affects the catalysts’ selectivity. These investigations were done using a variety of meso-trienes in desymmetrization reactions to afford trisubstituted olefins. Concerning the formation of tetrasubstituted olefins, the catalysts’ reactivity was investigated in RCM processes involving diethyldimethallyl malonates. Once again, an effect induced by the N-alkyl group was observed concerning the reactivity of the catalysts. A selectivity study was performed. As for ARCM processes forming trisubstituted olefins, the N-alkyl group also had an impact on the selectivity of the catalysts. This investigation was done with ARCM desymmetrization of meso-trienes.

L’intérêt pour les hélicènes s’est accru au fur et à mesure que de nouvelles applications pour ce genre de molécules ont été découvertes. Par contre, la recherche dans ce domaine a été limitée par le petit nombre de voies de synthèse de ces molécules, la plupart nécessitant une étape de résolution ou de séparation des énantiomères par HPLC à la fin de la synthèse. Le présent projet de recherche propose d’utiliser la réaction de fermeture de cycle asymétrique par métathèse d’oléfines (asymmetric ring closing metathesis, ARCM) pour effectuer une synthèse d’hélicène à la fois catalytique et énantiosélective. La synthèse énantiosélective du [7]hélicène a été effectuée à l’aide d’une résolution cinétique du précurseur racémique. Au cours de cette synthèse, nous avons été en mesure de démontrer l’efficacité de différents catalyseurs de métathèse chiraux en plus de démontrer l’effet de l’ajout de simples oléfines comme additifs à la réaction. De plus, nous avons formulé une hypothèse expliquant cet effet à l’aide du mécanisme de la réaction. Finalement, nous avons aussi montré l’effet du changement de solvant sur la sélectivité de la réaction. Au cours de ces travaux, nous avons également développé une nouvelle méthode de synthèse de binaphtols à l’aide d’une réaction de couplage oxydatif impliquant un catalyseur de cuivre. À l’aide d’études de réactivité, nous avons été en mesure de démontrer que le métal portait deux ligands N-hétérocycliques (NHC). Nous avons aussi observé que le catalyseur favorisait la formation de binaphtol non symétrique avec un groupement naphtol avec une densité électronique élevée et un autre groupement naphtol avec une faible densité électronique. / The interest in helicenes has increased as new potential applications have been proposed for these twisted conjugated aromatics. However, further research is limited by the lack of methods for the enantioselective synthesis of helicenes. The current traditional syntheses often conclude with a resolution, most often via separation on a chiral stationary phase. This thesis describes the development of new catalytic method for the synthesis of helicenes using ring closing metathesis (RCM) employing highly reactive Ru-based catalysts or commercially available catalysts and microwave heating. Furthermore, an enantioselective variant of the asymmetric ring closing metathesis (ARCM) reactions was developed for the synthesis of enantioenriched [7]helicene via a kinetic resolution protocol. The development of the kinetic resolution involved the preparation and screening of a number of novel chiral Ru-based olefin metathesis catalysts. During these studies, the beneficial effect of simple olefins additives on the selectivity of the reaction was observed and a hypothesis to explain these effects has been proposed. In addition, intriguing solvent effects were also observed. Lastly, this thesis describes the investigation of a new method for the preparation of binaphthol via an oxidative coupling with a novel copper catalyst bearing two N-heterocyclic carbene (NHC) ligands. It was demonstrated that the cationic catalyst allowed for the formation of mixed oxidative couplings between electron rich and electron poor 2-naphthols to form C1-symmetric binaphthol derivatives.

Chemical modification of proteins is critical for many areas of biochemistry and medicine. Several methods for site-selective protein modification are reported in this Thesis that are useful in accessing both natural and artificial protein architectures. Multiple, complementary methods for the conversion of cysteine to dehydroalanine are described. Dehydroalanine is used as a general precursor to several post-translational modifications and glycosylation, polyprenylation, phosphorylation, and lysine methylation and acetylation are all accessible. These modifications and their mimics were explored on multiple proteins, including histone proteins. Unnatural modifications were also explored. The first examples of olefin metathesis and Suzuki-Miyaura cross-coupling on protein substrates are reported. Allyl sulfides were discovered to be remarkably reactive substrates in olefin metathesis, allowing use of this reaction in water and on proteins. For Suzuki-Miyaura cross-coupling, a new catalyst is described that is fully compatible with proteins. Both olefin metathesis and cross-coupling allow the formation of carbon-carbon bonds on proteins. The prospects of these transformations in chemical biology are discussed. Finally, a novel strategy is reported for the installation of natural, unnatural, and post-translationally modified amino acid residues on proteins. This technology relies on addition of carbon radicals to dehydroalanine. This method of "chemical mutagenesis" is anticipated to complement standard genetic manipulation of protein structure.