Usage of Flavinium Salts as Catalysts of Oxidation Reactions Summary This diploma thesis deals with use of flavinium salts as a catalysts of oxidation reactions. 3,7,8,10-tetramethylisoalloxazin 25, 5-ethyl-3,7,8,10-tetramethylisoalloxazinium perchlorate 16 and 5-ethyl-1,3-dimethylalloxazinium perchlorate 26 had been prepared. Salts 16, 26 and other previously prepared phlavinium salt 28 were tested as potential catalysts for the oxidation of phenylboronic acids to the corresponding phenols, and especially for the use of oxygen as the oxidizing agent. The best solvent systems were found through testing and followed possible influence of the substituent on the phenyl ring of boronic acid was investigated. This initial screening can be used as a basis for further and more detailed testing of catalytic efficiency of flavinium salts and to study the oxidation mechanism.

The thesis entitled “Synthetic and Mechanistic Studies in Oxime and Amide Chemistry” consists of two chapters. Chapter 1 contains 3 parts, dealing with the Beckmann rearrangement under solvent free conditions, Mitsunobu conditions, and with catalytic succinic anhydride-ZnCl2. Chapter 2 deals with bond length and reactivity studies with several oxime esters. CHAPTER 1 Part 1: This describes studies aimed at the development of the Beckmann rearrangement in the solid state using phenylboronic acid. The adsorption of ketoximes on a mixture of phenylboronic acid and neutral alumina followed by heating >120 °C, afforded the expected amides, although with competing hydrolysis to corresponding ketones. It appeared that phenylboronic acid was being converted under the reaction conditions to triphenyl boroxine, which was presumably the active species effecting the Beckmann rearrangement. This was experimentally confirmed when the amide products were obtained in good yields when the reaction was performed with triphenyl boroxine. Part 2: This describes the Beckmann rearrangement under Mitsunobu conditions. Triphenyl phosphine and diethyl azodicarboxylate can react with various oximes to produce corresponding amides. Part 3: This describes the Beckmann rearrangement of oximes to amides by a combination of succinic anhydride and zinc chloride as catalyst. Zinc chloride can activate succinic anhydride, the activated succinic anhydride then reacting with the oximes. This forms the oxime ester of succinic acid, which undergoes the Beckmann rearrangement as shown. CHAPTER 2: This describes bond length and reactivity studies with several oxime esters. It was of interest to obtain a correlation between bond length and reactivity in ketoxime derivatives which are known to undergo the Beckmann rearrangement. Towards this end the crystal structures of a variety of oxime esters have been determined. The results indicate that the alkyl group anti to the oxime hydroxyl group is pre-disposed towards migration onto the nitrogen center. (pl refer the thesis for structural formula)

<p>Electrospray ionization (ESI) mass spectrometry (MS) in combination with liquid chromatography (LC) is an excellent tool for the identification of drug metabolites. Utilizing this hyphenated technique in combination with proper sample pretreatment, the metabolic pathways of the analgesic drug ketobemidone were investigated in human urine and rat microdialysate from blood and brain. Two novel phase I metabolites (ketobemidone N-oxide and meta-hydroxymethoxyketobemidone) and three novel phase II metabolites (glucuronic acid conjugates of ketobemidone, norketobemidone and hydroxymethoxyketobemidone) were identified in human urine. Further, norketobemidone and ketobemidone N-oxide were identified in rat microdialysate from brain after regional distribution of ketobemidone in striatum. This indicates that the brain itself has the possibility to metabolize ketobemidone. </p><p>Synthetic ketobemidone metabolites were used for comparison of retention times and tandem MS spectra with the possible metabolites recovered from the biological samples. The conjugated metabolites were identified by accurate mass measurements and tandem MS spectra of the aglycones. The accuracy of the estimated masses was better than 2.1 ppm for two out of three conjugates in presence of internal standard.</p><p>On-line micro-SPE was successfully used for trapping and desalting of the microdialysates. The small SPE pre-column made it possible to inject approximately 100 times more sample on the analytical column compared to injection without pre-column. Selective trapping was demonstrated for the polar catechol amine metabolite, dihydroxyketobemidone, which forms covalent complexes with phenylboronic acid (PBA). A fluorinated silica type stationary phase was the only column out of several tested that was able to separate ketobemidone and all relevant phase I metabolites. </p><p>Liquid chromatography and mass spectrometry are independently valuable tools in the field of analytical pharmaceutical chemistry. The present study showed that the combination of LC-MS, with its excellent selectivity and sensitivity, offers an outstanding tool in the qualitative analysis of drugs and metabolites in biological fluids. </p>

Electrospray ionization (ESI) mass spectrometry (MS) in combination with liquid chromatography (LC) is an excellent tool for the identification of drug metabolites. Utilizing this hyphenated technique in combination with proper sample pretreatment, the metabolic pathways of the analgesic drug ketobemidone were investigated in human urine and rat microdialysate from blood and brain. Two novel phase I metabolites (ketobemidone N-oxide and meta-hydroxymethoxyketobemidone) and three novel phase II metabolites (glucuronic acid conjugates of ketobemidone, norketobemidone and hydroxymethoxyketobemidone) were identified in human urine. Further, norketobemidone and ketobemidone N-oxide were identified in rat microdialysate from brain after regional distribution of ketobemidone in striatum. This indicates that the brain itself has the possibility to metabolize ketobemidone. Synthetic ketobemidone metabolites were used for comparison of retention times and tandem MS spectra with the possible metabolites recovered from the biological samples. The conjugated metabolites were identified by accurate mass measurements and tandem MS spectra of the aglycones. The accuracy of the estimated masses was better than 2.1 ppm for two out of three conjugates in presence of internal standard. On-line micro-SPE was successfully used for trapping and desalting of the microdialysates. The small SPE pre-column made it possible to inject approximately 100 times more sample on the analytical column compared to injection without pre-column. Selective trapping was demonstrated for the polar catechol amine metabolite, dihydroxyketobemidone, which forms covalent complexes with phenylboronic acid (PBA). A fluorinated silica type stationary phase was the only column out of several tested that was able to separate ketobemidone and all relevant phase I metabolites. Liquid chromatography and mass spectrometry are independently valuable tools in the field of analytical pharmaceutical chemistry. The present study showed that the combination of LC-MS, with its excellent selectivity and sensitivity, offers an outstanding tool in the qualitative analysis of drugs and metabolites in biological fluids.

Ce travail a pour vocation d’évaluer la potentialité de différents hydrogels sensibles au glucose pour la délivrance d’insuline en vue de développer de nouveaux traitements du diabète. Les systèmes doivent être biocompatibles et pouvoir se résorber in vivo. Pour cela, nous avons choisi d’utiliser un polysaccharide, l’acide hyaluronique (HA), dégradable par voie enzymatique. La réticulation est obtenue par une polymérisation radicalaire de méthacrylates, ou par couplage thiol-ène. La sensibilité au glucose est apportée par l’introduction de fonctions acide phénylboronique (PBA), connues pour former des liaisons ester réversibles avec les diols des saccharides. Deux types de gels sont étudiés : les gels simples où le PBA seul est greffé sur le HA, et des gels doublement réticulés où des motifs maltose sont greffés sur le HA et forment un deuxième réseau, dissociable par ajout de glucose.Dans ce travail, nous avons cherché à démontrer les capacités de cette classe de matériaux à encapsuler et délivrer l’insuline selon les pharmacocinétiques adaptées à l’application. La cinétique étant dépendante de la taille des gels, nous avons travaillé à plusieurs échelles, du macroscopique à l’échelle nanométrique, principalement visée pour une libération dans la circulation sanguine. Des particules de gel sont préparées à des échelles nanométriques et micrométriques grâce à des émulsions eau-dans-huile, obtenues respectivement par homogénéisation à haute pression et par microfluidique. Les gouttes formées servent de micro/nanoréacteurs où se produit la réticulation photoamorcée du HA préalablement modifié. L’échelle micrométrique a été choisie pour étudier plus précisément les interactions de l’insuline ainsi que des protéines modèles avec les matrices, grâce à la microscopie confocale qui permet de sonder la distribution des protéines dans le réseau. Nous avons ainsi étudié les propriétés d’encapsulation et de libération ainsi que les propriétés de gonflement des gels. L’impact de la composition et de la structure des gels est ainsi mis en évidence permettant d’optimiser les choix de formulation pour proposer une solution de libération contrôlée de l’insuline. Enfin l’encapsulation et le relargage d’insuline en présence de sucre est étudiée de manière quantitative pour des macrogels, dont la composition a été optimisée. / This work aims to evaluate potential glucose sensitive hydrogels formulations as new medicine to treat diabetes. The gels have to be biocompatible and bioresorbable in vivo. To do so, we choose matrices of polysaccharide enzymatically degradable made of hyaluronic acid (HA). Crosslinking of the HA is done by radical polymerization reactions using methacrylates or thiol-ene chemistry. Glucose sensitivity is introduced thanks to phenylboronic acid moieties (PBA). PBAs are known for their ability to create reversible bonding with diols from saccharides. Two kind of gels are studied: simples ones where PBAs are grafted on the matrix, and doubly crosslinked ones where maltose groups grafted on HA form a second network, which can dissociate upon glucose addition. We investigated the ability of these materials to encapsulate and deliver insulin with the good pharmacokinetics. As kinetics depend on gel sizes, we worked at different scales, from macroscopic to nanometric scale, which allows release in the blood stream. Nano and microgels are prepared thanks to water-in-oil emulsions using respectively high pressure homogeneiser or microfluidic devices. Droplets formed are used as nano/microreactors where crosslinking of modified HA is photoinitiated. Micrometric scale is chosen to study interactions between insulin and model proteins with gel matrices, using confocal microscopy. This technique allows to study composition and structural effects. Encapsulation and release of proteins are studied as well as swelling variations. Then, encapsulation and release of insulin upon addition of monosaccharide is investigated quantitatively for macrogels, after formulation optimization.

Le traitement du diabète de type 1 en boucle fermée représente un enjeu majeur tant sur le plan sociétal que thérapeutique. L’une des solutions consiste en une formulation thérapeutique basée sur des microvéhicules capables de délivrer la bonne dose d’insuline selon une cinétique adaptée aux variations de la glycémie. Les microgels sont des particules de polymère réticulé formant des édifices submicrométriques tridimensionnels gonflés par un solvant, dont le taux de gonflement dépend des conditions environnementales. Leur porosité permet à la fois l’encapsulation d’espèces et leur libération à une vitesse dépendant de leur diffusion à travers le réseau. Nous avons synthétisé des microgels à base de poly(N-alkylacrylamide) fonctionnalisés par des récepteurs du glucose dérivés de l’acide phénylboronique. Ces microgels, à la base thermosensibles, présentent la propriété de changer de volume en fonction de la concentration en glucose et se présentent comme d’excellents candidats pour la délivrance auto-régulée d’insuline dans le cadre du traitement du diabète. Ils permettent la délivrance répétée de doses d’insuline modulée par la glycémie. La quantité d’insuline encapsulée a pu être améliorée en structurant les microgels en architecture cœur-écorce ou capsule.En outre, nous avons utilisé ces microgels pour développer des capteurs au glucose, sélectifs vis-à-vis des autres saccharides et quelques études de cytotoxicité ont été amorcées et ont permis d’établir avec satisfaction que certains de nos objets n’étaient pas toxiques.Les résultats obtenus ont donc permis d’affirmer que la technologie des microgels sensibles au glucose peut répondre de manière conceptuelle aux attentes des patients diabétiques pour permettre la délivrance d’insuline en boucle fermée. / Bioresponsive hydrogels can change many of their physical properties in response to the recognition of a target in the solution. In particular, changes in hydrogel swelling lead in turn to controllable changes in shape, volume, pore size, mechanical and optical properties. We focus our research on the development of glucose-responsive microgels which hold promising interest in the field of both sensing and drug delivery. These cross-linked polymer particles, made of highly swollen networks, can swell proportionally to the concentration of glucose in the surrounding medium. Since they are porous, they can entrap a drug and release it a rate dependent on their swelling degree, which is of particular interest in the case of insulin as a drug. Such systems could be used as self-regulated insulin delivery systems for diabetes treatment. With that aim, we have designed microgels able to sense glucose concentrations in the patho-physiological range, under physiological conditions. Insulin was successfully loaded into the nanogels and was shown to be released at a rate dependent on glucose concentration. Furthermore, microgels with a controlled internal structure were synthesized, such as core-shell microgels and capsules. These latter developments led to improvements in terms of insulin encapsulation efficiency and glucose-triggered delivery. Besides, other nanogel formulations were investigated, in order to improve both their biocompatibility as well as the selectivity of their response to glucose compared to other saccharides.

Les nanogels sont de bons candidats pour la délivrance d’actifs. Ces réseaux de polymères réticulés et de taille nanométrique, sont gonflés d’eau. Ils sont donc capables d’encapsuler une protéine à l’intérieur de leurs pores et de la libérer en fonction de l’état de gonflement du réseau. Cet état peut être modulé par la densité de réticulation du réseau ou par l’application d’un stimulus externe tel que le pH, la température ou encore une biomolécule telle que le glucose. Ainsi, les nanogels sensibles au glucose se présentent comme des candidats idéaux pour administrer l’insuline de façon asservie à la glycémie. Afin de satisfaire aux critères de biocompatibilité et de biorésorption des vecteurs, nous avons choisi de développer des nanogels à base de polysaccharide, en particulier à base d’acide hyaluronique (HA). Ceux-ci sont obtenus par réticulation du HA, préalablement modifié par des fonctions réticulables telles que les méthacrylates, dans des nanogouttes d'émulsion eau-dans-huile. Des nanogels de taille et de porosité modulables ont été synthétisés grâce à un bon contrôle 1) de la modification chimique des précurseurs par des fonctions réticulables (taux de méthacrylation), 2) de l’émulsion matricielle (taille, stabilité), 3) des conditions de réticulation par photopolymérisation gouvernant le taux de conversion des méthacrylates. Ce savoir-faire a ensuite été appliqué à la synthèse de nanogels modifiés par des dérivés de l’acide phénylboronique, ligand du glucose, afin d’obtenir des matériaux dont le taux de gonflement varie en fonction de la glycémie. L’intérêt applicatif de ces objets a été évalué vis-à-vis des propriétés d’encapsulation de l’insuline, de dégradabilité enzymatique, et de biocompatibilité. / Nanogels are an attractive class of delivery systems. These soft particles, made of highly swollen polymer network, can physically entrap a drug and release it at a rate depending on its diffusion though the network. Therefore, any change in the swelling degree can trigger the release kinetics. This parameter can be tuned by modifying the density of cross-links in the gel matrix or by changing the environmental conditions such as pH, temperature or analyte such as glucose. Thus, glucose-responsive nanogels are good candidates to be used as self-regulated systems for insulin delivery. To fulfill both biocompatibility and biodegradability criteria, our attention has been focused on the design of new nanogels made of polysaccharides, in particular made of hyaluronic acid (HA), as a main constituent. HA was at first covalently modified with polymerizable methacrylate functions and confined in nanoreactors during photopolymerization using water-in-oil miniemulsions as template. Biodegradable nanogels with a well-defined size and various cross-linking degrees were thus achieved, thanks to a good control of 1) the chemical modification of HA with methacrylates (degree of methacrylation) 2) the emulsion template (size, stability), 3) the photopolymerization conditions which governed the conversion rate of the polymerization. Further modification of the polysaccharide with phenylboronic acid as a glucose-sensitive group yielded nanogels whose swelling behavior could vary as a function of glucose concentration. These systems were further studied as insulin delivery systems. Moreover, their biodegradability, stability and biocompatibility were assessed.

Le phénomène d’électro chimiluminescence (ECL), également appelé chimiluminescence électrogénérée, consiste en la génération de l’état excité d’un émetteur suite à des réactions de transfert d’électrons se produisant initialement à la surface de l’électrode. L’état excité ainsi produit retourne à l’état fondamental en émettant de la lumière. Les réactions ECL se classent principalement en 2 grandes voies mécanistiques: les réactions d’annihilation et les réactions impliquant un co-réactif sacrificiel. Cette dernière voie a conduit à de très nombreuses applications en chimie analytique. Dans ce manuscrit, j’ai présenté mes travaux de thèse qui ont suivis 3 directions complémentaires depuis l’échelle moléculaire jusqu’à l’échelle macroscopique: la recherche de nouveaux luminophores ECL, l’étude de films d’hydrogels stimulables et le développement de nouvelles applications analytiques de l’ECL.Dans une première partie, j’ai étudié les propriétés ECL de 3 types de luminophores organiques. Ces composés ont montré des caractéristiques électrochimiques et ECL remarquables. L’efficacité ECL de ces luminophores organiques peut être modulée enjouant sur leurs structures respectives. Des luminophores de type spirofluorène ont produit une émission ECL très intense et les nanoparticules organiques correspondantes ont pu être utilisées comme nano-émetteurs ECL. L’étude des propriétés électrochimiques, photochimiques et ECL de luminophores cationiques de type triangulène et hélicène a été réalisée et présentée avec un formalisme montrant un «mur» ECL ou une cartographie ECL complète.Dans une seconde partie, la préparation de films d’hydrogels thermo-stimulables à base de poly(N-isopropylacrylamide) ou pNIPAM incorporant des centres redoxRu(bpy)3 a été réalisée sur des électrodes de carbone vitreux (GCE) et aussi sur des fibres de carbone par polymérisation radicalaire induite électrochimiquement. Les études ECL sur les GCEs modifiées ont montré que le facteur principal gouvernant les propriétés ECL est la distance entre les sites Ru(bpy)3. Le dépôt de tels films de pNIPAM-Ru(bpy)3 par électrochimie bipolaire ouvre de nouvelles possibilités pour le développement de micro-objets stimulables hybrides. Dans une dernière partie, comme la chimie analytique constitue un des plus importants attraits de l’ECL, deux applications analytiques sont présentées en utilisant,d’une part, des co-réactifs de type amine modifié par l’acide phénylboronique, et,d’autre part, des faisceaux de fibres optiques recouverts d’or. La réaction de complexation de saccharides par le groupe phénylboronique modifie les propriétés électrochimiques du co-réactif amine en rendant son oxydation à l’électrode inefficace,ce qui provoque la diminution du signal ECL. En changeant la longueur de l’espaceur de ces co-réactifs qui portent deux groupements phénylboroniques, nous avons pu mesurer sélectivement la concentration de D-glucose et de D-fructose. Mon travail a enfin porté sur le développement d’un objet analytique basé sur un faisceau de fibresoptiques doré qui est adressé sans contact par électrochimie bipolaire. L’ECL ainsi générée du système Ru(bpy)32+/TPrA a permis de réaliser un outil activable à distance permettant une mesure déportée via le faisceau. Ce nouvel objet analytique original devrait permettre d’étendre les mesures ECL à des environnements confinés ou dangereux. / Electrogenerated chemiluminescence (ECL) involves the energetic electron transfer reactions at the electrode with the generation of excited state of emitter, which then relax to the ground state and emit light. These ECL reactions can be divided into two main pathways: the annihilation and sacrificial co-reactant reactions. The latter has found a lot of applications in analytical chemistry. In this thesis, ECL studies towardt hree complementary directions are presented, ranging from the molecular scale tomacroscopic scale : the research of new ECL luminophores, the study of stimuli-responsive hydrogel films, and the development of new ECL assays.Firstly, I have studied three types of organic dyes for ECL investigations. These organic dyes exhibit interesting electrochemical and ECL properties. ECL efficiencies of the organic dyes can be tuned by the modification of the structures. Spirofluorene dyes show strong ECL emission, and thus its fluorescence organic nanoparticles(FONs) prepared in water were used as ECL nano-emitters. We also established an energetic ECL “wall” representation and then move forward creating ECL “map”upon electrochemical, photoluminescence and ECL studies on cationic triangulenes and cationic helicenes dyes, respectively.Secondly, the preparation of thermo-responsive poly(N-isopropylacrylamide)(pNIPAM) hydrogel films covalently incorporating Ru(bpy)3 redox centers were achieved on glassy carbon electrode (GCE) or carbon fiber by electrochemically induced free radical polymerization. ECL studies on the modified GCEs have provided the main factor (the average distance of Ru(bpy)3 sites) that governs the ECL process, leading to deciphering the enhanced ECL in the films. The deposition of the films on carbon fiber by bipolar electrochemistry (BPE) has opened new route to for the development of smart hybrid micro objects. Finally, analytical application is one of the most important features of ECL. We presented two different ECL assays using either the phenylboronic acid modified amine based co-reactants or gold coated optical fiber bundle. The binding of saccharides with boronic acid modified tertiary amines makes the oxidation of amines group inefficient, which decreases ECL signal response. By changing linker length of a bis-boronic acid amine co-reactant, we are able to determine D-glucose and D-fructose selectively. We also studied the ECL generation of Ru(bpy)32+/TPrA systemon the gold coated optical fiber bundle in a wireless manner by BPE, then transmission and remote detection at the opposite end of the same object. This methodmay extend the applicability of ECL assays in the confined or hazardous environments. / 电化学发光（ECL）的发生是由于在电极表面通过电子转移反应生成了发光体的激发态跃迁到基态，并伴随着发光。这些电子转移反应可划分为两种主要的途径：正负自由基湮灭反应和共反应物反应。而后者被广泛应用于分析化学领域。在本论文中，我们在电化学发光领域中进行了广泛的研究，具体有三个研究方向：新型电化学发光光团的研究、响应水凝胶膜的制备以及电化学发光分析的研究。首先，我们选择了三种不同类型的有机荧光分子用于电化学发光的研究。这些有机荧光分子展现出许多电化学和电化学发光特性。其中，螺芴荧光分子展现出了非常强的电化学发光。而且用它制备的荧光有机纳米颗粒（FONs）在水相中也可以产生电化学发光。基于对阳离子型三角烯和阳离子型螺烯的电化学、光谱学以及电化学发光的研究，我们分别建立了鉴别电化学发光“墙”和“图谱”。其次，利用自由基电聚合的方法，我们实现了在玻碳电极和碳纤维表面上制备热刺激-响应的聚异丙基丙烯酰胺（p-NIPAM）共价嫁接三联吡啶钌Ru(bpy)3 荧光分子的水凝胶膜。通过对玻碳电极上水凝胶膜的电化学发光的研究，我们发现了控制水凝胶膜中电化学发光的主要因素，从而揭秘了水凝胶膜中电化学发光增强的成因。而且，利用双电极化学（BPE）的方法，我们将此类水凝胶膜的制备应用于碳纤维上，以发展灵敏杂化微米级器件。最后，鉴于化学分析是电化学发光最重要的特征，我们构建两种不同的电化学发光分析体系：一种是基于硼酸化学修饰的三丙胺共反应物；另一种是利用镀金光导纤维。硼酸对糖类的结合弱化了三丙胺的电化学氧化效率，因此影响电化学发光的强度。通过改变双硼酸修饰共混物之间碳链的长度，我们实现了对葡萄糖和果糖的选择性检测。我们还研究了在镀金光导纤维上三联吡啶钌/三丙胺体系的 电化学发光。此研究是在双电极体系进行的，镀金光导纤维无需外部接线，镀金部位产生的发光透过光纤传输的光纤的远端，再进行检测，因此达到了电化学发光的远程检测。这一方法可应用于狭窄危险环境中的电化学发光分析。