Microwave-Assisted Thermolysis of ortho-Substituted Aroylsilanes Marc Tremblay Master of Science Department of Chemistry University of Toronto 2008 The microwave-assisted thermolysis of ortho-substituted aroylsilanes has been investigated. When irradiated at 250ºC in DMSO or o‑dichlorobenzene for 10 minutes, aroylsilanes form siloxycarbenes that react following different pathways depending on the solvent and the structure of the starting material. It is shown that in the case of substrates having an O‑allyl or an O‑propargyl chain ortho to the acylsilane, cycloaddition occurs followed by a cascade ring opening to give respectively chroman‑4-one and chromen‑4-one derivatives in up to 66% yield. Among the major competitive pathways were the insertion of the siloxycarbene into allylic C–H bonds and decomposition of the acylsilane group to the corresponding aldehyde, followed by Claisen rearrangement.

Microwave-Assisted Thermolysis of ortho-Substituted Aroylsilanes Marc Tremblay Master of Science Department of Chemistry University of Toronto 2008 The microwave-assisted thermolysis of ortho-substituted aroylsilanes has been investigated. When irradiated at 250ºC in DMSO or o‑dichlorobenzene for 10 minutes, aroylsilanes form siloxycarbenes that react following different pathways depending on the solvent and the structure of the starting material. It is shown that in the case of substrates having an O‑allyl or an O‑propargyl chain ortho to the acylsilane, cycloaddition occurs followed by a cascade ring opening to give respectively chroman‑4-one and chromen‑4-one derivatives in up to 66% yield. Among the major competitive pathways were the insertion of the siloxycarbene into allylic C–H bonds and decomposition of the acylsilane group to the corresponding aldehyde, followed by Claisen rearrangement.

L'objectif de cette thèse est de développer un ensemble de modèles numériques afin de simuler les processus physico-chimiques dans la chambre de combustion ainsi que dans le système de post-traitement des gaz d'échappement des moteurs à combustion interne. Dans la première partie de cette thèse, deux nouveaux modèles d'évaporation de gouttelettes et de film liquide multi-composants sont proposés. Dans le modèle d'évaporation des gouttelettes, une nouvelle expression du débit d'évaporation a été proposée. Il a été montré que la prise en compte du flux de chaleur dû à la diffusion d'enthalpie des espèces est primordiale dans le bilan d'énergie à l'interface de la goutte. De plus, les investigations numériques ont montré l'importance de la prise en compte d'une équation d'état de gaz réel dans les conditions de hautes pressions et / ou de basses températures ambiantes. Un modèle d'évaporation multi-composant de film liquide a ensuite été développé sur la base du modèle d'évaporation de film mono-composant déjà mis en oeuvre dans le code industriel IFP-C3D. En particulier, les lois de paroi ont été généralisées pour l'évaporation du film multi-composant de manière similaire au modèle de l'évaporation des gouttelettes. Il a été montré l'importance de la température de la paroi dans le processus d'évaporation d'un film liquide. Contrairement à l'évaporation des gouttes, les investigations numériques effectuées ont montré que l'utilisation d'une équation d'état de gaz parfait conduit à des résultats proches de ceux qui sont obtenus en utilisant une équation d'état de gaz réel. Ceci se traduit par un gain en temps de calculs important. La deuxième partie de la thèse utilise les modèles d'évaporation, développés dans la première partie de la thèse, avec un nouveau modèle de thermolyse développé afin de produire de l'ammoniac nécessaire pour le système SCR. Dans la présente étude, l'ammoniac est produit à partir de la solution aqueuse d'urée injectée dans la ligne de tuyau d'échappement. L'eau s'évapore et l'urée se décompose en ammoniac nécessaire pour le système SCR. L'évaporation de l'eau est modélisée avec les modèles d'évaporation proposés dans la première partie de cette thèse, avec quelques modifications afin de prendre en compte l'influence de l'urée sur l'évaporation de l'eau. Un nouveau modèle de thermolyse multi-étape pour l'urée a été ensuite implanté dans IFP- 3D afin de simuler la distribution de l'ammoniac gazeux à l'entrée de système de dépollution SCR. Ce modèle est également capable de simuler la formation de sous- roduits (dépôt solide) de la thermolyse d'urée. Les résultats numériques des modèles développés ont permis de montrer le potentiel des développements réalisés au cours de ce travail dans le cadre d'applications industrielles. / The aim of the present thesis is to develop a set of numerical models in order to simulate the physical and chemical processes in combustion chamber as well as in exhaust gas after-treatment system of internal combustion engines. In the first part of the thesis, two new multi- omponent evaporation models for droplet and liquid film are proposed. In the droplet evaporation model, a new expression of the evaporation rate has been proposed. It has been shown that taking into account the heat flux due to the enthalpy diffusion of species is of primary significance in the energy balance at the droplet surface. In addition, numerical investigations have shown the importance of considering a real gas equation of state in the high pressure and/or low temperature conditions. A multi-component liquid film evaporation model has then been developed based on the single-component film evaporation model already implemented in IFP-C3D code. Particularly, the wall laws have been generalized for the multi-component film evaporation taking into account the mentioned features applied to the droplet evaporation model. The importance of surface temperature in the evaporation of liquid film has also been shown. Contrary to the droplet evaporation, the numerical investigations on film evaporation have shown that using an ideal mixture equation of state leads to results similar to those obtained using a real gas equation of state. The second part of the thesis uses the evaporation models, developed in the first part of the thesis, along with a new developed thermolysis model in order to produce the ammonia needed for the SCR system. In the present study, ammonia is produced from the urea-water solution injected into the exhaust pipe line. Water evaporates and urea decomposes to ammonia needed for SCR system. The evaporation of water is modeled with the proposed evaporation models in the first part of the present thesis with some modifications in order to take into account the influence of urea on the water evaporation. New multi-step thermolysis model for urea is then implemented in the IFP-C3D code in order to simulate the distribution of gaseous ammonia at the entrance of SCR system. The present model is also able to simulate the formation of solid by-products from urea thermolysis. The numerical results of the developed models allow us to assess the contribution of the developments made during this work in the context of industrial applications.

M. Tech. (Department of Chemistry, Faculty of Applied and Computer Science), Vaal University of Technology / Cadmium and cobalt complexes of urea and thiourea were synthesized using ethanol as a solvent. All complexes were refluxed at 70 - 80 °C, left to cool at room temperature, washed with methanol and acetone to remove impurities and dried at an open environment. The characterization of complexes was done using FTIR spectroscopy, elemental analysis and TGA. The complexes were found to coordination with the ligands through sulphur and oxygen atoms to the metal, instead of nitrogen. These were as results of wavelength shifting from high to low frequency from spectra of the complexes as compare to their free ligands. These observations make these complexes good candidates for the possible use in synthesis of metal sulphides or oxides nanoparticles. Thermogravimetric analyses of all the complexes were conducted to check the stability of use as precursors for nanoparticles at low and high temperature. A number of thiourea and urea complexes with cadmium and cobalt have been prepared and used in the preparation of metal sulphides/oxides nanoparticles. Complexes start to decompose at low temperature about 100°C and the last decomposition step was at about 800-900°C, which is convenient to thermal decomposition of precursors in the high boiling solvents or capping agent to prepare surface capped metal sulphides/oxides nanoparticles. The complexes were easy to synthesize, low cost and stable in air and were obtained in reasonable yields. All the complexes reported in this study have been used as single source molecular precursor in the preparation of cadmium oxide, cadmium sulphide, cobalt oxide, cobalt sulphide nanoparticles (normal) and as mixture of any two complexes to form core-shells nanoparticles. Quality nanoparticles synthesis requires three components: precursors, organic surfactants and solvents. The synthesis of the nanoparticles can be thought of as a nucleation event, followed by a subsequent growth period. Both the nucleation and growth rates were found to be dependent upon factors such as temperature, growth time, and precursor concentration. For a continuous flow system the residence time (at nucleation and growth conditions) was also found to be important. In order to separate the nucleation and growth events, injection techniques were employed to achieve rapid nucleation of nanoparticles with final size dictated by the growth temperature and/or residence time through the growth zone of the reaction system. Good crystalline normal nanoparticles were obtained from thermolysis of the precursors in hexadecylamine (HDA) as the capping agent at fixed concentrations, temperature and time. All nanoparticles showed a blue-shift in band edges with good photoluminescence behaviour which is red-shifted from their respective band edges and XRD patterns, the crystal structure are in hexagonal phase. The particles showed rods, spheres and hexagonal shapes. Nucleation and growth mechanism brings new avenue in nanostructures called core-shells, which have been reported to have improved luminescence, quantum yields, decreased fluorescence lifetimes, and benefits related to the tailoring of the relative band-gap positions between the two materials. In this study cadmium and cobalt complexes of urea and thiourea were separately dispersed in TOP and injected separately (allowing nucleation/core to occur, followed by the shell) in hot HDA at 180ºC for 1hour to yield core-shell nanoparticles. Parameters, such as concentration, temperature and capping molecule as factor affecting nucleation and growth of the core-shells were monitored. The core-shell nanoparticles were characterized by UV/Vis spectroscopy, XRD and TEM. We observed spherical, tripod, bipods, hexagonal and irregular shaped nanoparticle as the concentration of the precursors was increasing, however we were able to form core-shells nanoparticles in one set of experiment 1:3 CdS-CdO, which are assumed to be a reverse type I coreshells nanoparticles. Exciton absorption peaks at higher energy than the fundamental absorption edge of bulk indicate quantum confinement effect in nanoparticles as a consequence of their small size. XRD patterns, crystals range from hexagonal, cubic and mixture of hexagonal and orthorhombic. A low temperature studies were also conducted a mixture of hexagonal and sphererical shapes with sheets like onion morphology were observed. / NRF HUB & SPOKES (VUT)

Recently HER3, member of the epidermal growth factor receptor family (EGFR), has been found to play a crucial role in the development of resistance towards inhibitors that are given to patients with HER1- and HER2-driven cancers. As HER3 is up-regulated or over-activated in several types of human cancers, it is of outmost importance that new innovative drugs target its oncologic activity. The Affibody® Molecule Z08698 inhibits the heregulin induced signalling of HER3 with high affinity (KD~50 pM). As the Affibody® Molecule is small, has high solubility and outstanding folding kinetics, an effective penetration of tumour tissue is suggested together with a rationalized manufacturing process. Further coupling to an albumin binding domain (ABD) expands the plasma half-life of the molecule, hence increasing the molecule's potential of serving as a therapeutic. A process development for production of Z08698-VDGS-ABD094 has been established, where the molecule is efficiently produced in the E. coli host strain BL21(DE3), through a T7 based expression system. Cultivations were performed with a fed-batch fermentation process and the conditions were further optimized in order to obtain highest expression, while avoiding undesirable modifications like gluconoylations. By employing Design of experiments in combination with multivariate data analysis, a production process resulting in ~3.5 g product/ l culture could be verified. Moreover, thermolysis was evaluated as a suitable method for cell disruption, enabling an easy and cost-effective manufacturing process of the ABD fused Affibody® Molecule.

Au cours du 21ème siècle, les techniques de fluorescence ont montré une expansion considérable dans l’étude du mécanisme du vivant. Un progrès majeur dans le développement, la conception et les applications de divers types de chromophores organiques ont été achevés. Bien que largement utilisés, les sondes fluorescentes les plus utilisées souffrent encore de quelques limitations qui diminuent leur étendue d'action. Les plus problématiques sont : un nombre restreint de familles de chromophores, une faible résistance au photoblanchiment, une faible solubilité aqueuse, une durée de vie de fluorescence relativement courte, etc…. A ce titre, le développement de nouveaux motifs organiques inédits, compacts et possédants des propriétés de fluorescence alternatives et/ou complémentaires aux fluorophores usuels organiques reste plus que jamais d’actualité. Dans ce contexte, les noyaux 1,3a, 6a-triazapentalènes nous sont apparus particulièrement prometteuses et encore très peu exploitées. Dans ce manuscrit, il est décrit la synthèse de noyaux tricycliques et tétracycliques comportant ce motif, obtenus par substitution nucléophiles aromatiques, suivi d’une thermolyse. La modulation de ces noyaux a ensuite été effectuée par couplage métallo-catalysé. L’évaluation photophysique de ces composés révèle des propriétés spectroscopiques remarquables comme des rendements quantiques supérieurs à 50%, des déplacements de Stokes d’environ 100 nm et des longueurs d’ondes d’émission allant de 450 à 650 nm. Le dernier volet de cette thèse a porté sur l’imagerie cellulaire, qui nous a permis d’évaluer les meilleurs fluorophores sur cellules vivantes. / Over the last two decades, fluorescence technologies have shown a spectacular spreading in biological research. Major progress in the development, design, and purposeful application of various types of organic chromophores was achieved. Although widely used, the most commonly fluorescent probes still suffer from some limitations which decrease their use in the field of life sciences. The most problematic ones are: low scaffold diversity, high sensitivity to photobleaching, low water solubility and modest Stokes Shift… In this context, the main idea of our work focuses on the development of novel organic motifs responding to the conventional fluorophores issues. The 1,3a, 6a-triazapentalene moiety represents a real interest in this field with its promising optical properties. In this manuscript, the syntheses of tricyclic and tetracyclic derivatives containing this scaffold were obtained by aromatic nucleophilic substitution followed by the thermolysis cyclization. The modulation of these cores was then allowed by various organometallic cross of these compounds provides remarkable spectroscopic properties, as quantum yields above 50%, Stokes shift around 100 nm, and emission wavelengths between 450 and 650 nm. The last part of this thesis was focused on cellular imaging, that allowed us to evaluate the best fluorophores in living cells.

L'objectif de cette thèse est d'étudier le vieillissement thermique et prédire la durée de vie d'un jonc composite utilisé comme raidisseur de câbles électriques aériens. En effet, en conditions normales de fonctionnement, la température des câbles est de l'ordre de 80-90°C et, pendant les opérations de maintenance, des pics jusqu'à des températures de l'ordre de 220°C peuvent aussi être enregistrés. L'analyse microstructurale des coupes radiales du jonc après vieillissement dans l'air entre 160 et 220°C met en évidence son endommagement. Lorsque la matrice époxy n'est pas bien réticulée, l'endommagement consiste en une fissuration spontanée (sous l'effet de contraintes induites par le retrait chimique de la matrice) suivie de la thermo-oxydation du cœur du jonc. En revanche, lorsque la matrice est bien réticulée, cet endommagement est remplacé par la formation et l'accumulation de microcavités de gaz dans le cœur du jonc, résultant de la thermolyse de la matrice. A terme, ces microcavités coalescent pour former de larges fissures apparentes. Cette dégradation provoque la baisse progressive du module élastique et, au-delà d'un taux d'endommagement (porosités, fissures) critique, la chute catastrophique des propriétés à la rupture. Sur la base de ces résultats, des relations microstructure/propriétés mécaniques sont établies. Des tests complémentaires par thermogravimétrie couplée à la spectroscopie de masse haute résolution sont réalisés sur des films de matrice pure entre 160 et 240°C sous atmosphère inerte, afin d'élucider le mécanisme de thermolyse et l'origine de la cavitation. La décomposition des liaisons instables du réseau époxy conduit à la formation de trois principaux composés organiques volatils dont de l'eau. Lorsque la concentration de ce dernier dépasse son seuil de solubilité dans la matrice, les premières cavités apparaissent. Sur la base de ces résultats, un schéma mécanistique et un modèle cinétique de thermolyse sont proposés et vérifiés avec succès par gravimétrie. / This thesis is devoted to the study of thermal ageing and lifetime prediction of a composite rod used to stiffen electrical overhead power lines. The operating temperature of the wire is usually ranged between 80 and 90°C and, during maintenance, temperature can rise up to 220°C for short durations. Microstructural analysis of radial composite cross-sections after ageing between 160 and 220°C in air evidences its damage. When the epoxy matrix is under-crosslinked, the damage consists in a spontaneous cracking (due to stresses induced by the chemical shrinkage of the matrix) followed by the thermal oxidation of the rod core. However, when the matrix is better crosslinked, this damage is replaced by the formation and accumulation of microcavities of gases in the rod core, resulting from the matrix thermolysis. Eventually, these microcavities get connected to form wide apparent cracks. This degradation leads to the progressive decrease of the elastic modulus and, beyond a critical damage (porosities, cracks) fraction, a catastrophic fall of fracture properties. Based on these results, microstructure/properties relationships are established. Complementary tests by thermogravimetry coupled with high resolution mass spectrometry are carried on neat matrix films between 160 and 240°C under inert atmosphere to elucidate the thermolysis mechanism and the origin of the cavitation. The decomposition of unstable linkages in the epoxy network leads to the formation of three major volatile organic compounds including water. When the concentration of this later exceeds its solubility threshold in the matrix, the first microcavities appear. Based on these results, a mechanistic scheme and a kinetic model of thermolysis are proposed and successfully checked by gravimetry.

In der vorliegenden Arbeit wird die Konzeptionierung und die Realisierung eines teilkontinuierlichen Thermolyseverfahrens zur rohstofflichen Verwertung von Polyethylen- und Polypropylenabfällen beschrieben. Die Ausführung in der zweistufigen Rührkesselkaskade gewährleistete dabei die Trennung der Prozessschritte Schmelzen sowie Cracken der Einsatzmaterialien, woraus ein Thermolyseöl hervorging, welches weitestgehend frei von den Verunreinigungen aus den Abfällen war. Das Thermolyseöl wies eine Zusammensetzung aus Benzin- und Dieselkomponenten auf und erfüllte einige entscheidende Kraftstoffkriterien. Zur Senkung der qualitätsmindernden Olefingehalte wurden in einem weiteren Teil dieser Arbeit Untersuchungen zur heterogen-katalysierten Hydrierung der Siedeschnitte im Schüttgutreaktor und im Rührautoklav durchgeführt. Dabei konnten die Olefingehalte durch den Einsatz eines Palladium-Platin-Trägerkatalysators sowie durch einen Nickel-Gerüstkatalysator maßgeblich gesenkt werden. Als unerwünschtes Nebenprodukt des Thermolyseprozesses resultierte ein geringer Anteil Koks, welcher in der Schmelze akkumulierte und sich teilweise an der Reaktorwand ablagerte. Die entstandenen Mengen wiesen eine Abhängigkeit von der Prozesstemperatur und -dauer auf und mussten aus dem Prozess geschleust werden. Als weitere Nebenprodukte traten ein leichtflüchtiges Spaltgas sowie ein Sumpfrückstand auf. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass die aufzuwendende Energie für den Thermolyseprozess durch die Energiegehalte der Nebenprodukte gedeckt werden kann. Neben dem Einsatz als Kraftstoff empfahl sich das Thermolyseöl aufgrund seiner physikalischen und chemischen Eigenschaften gerade im Hinblick auf einen nachhaltigen Umgang mit Ressourcen als beachtenswerter Ersatz für fossiles Rohöl.

Le composite à matrices polymériques renforcées de fibres de carbone (CFRP) est un matériau précieux en raison de ses excellentes propriétés mécaniques, légèreté et durabilité. Un gain important d’efficacité et une réduction des émissions de carbone peuvent être obtenus en remplaçant les pièces métalliques par les CFRPs dans l'industrie du transport. Toutefois, le recyclage de déchets CFRP est problématique, car le renfort de fibres de carbone est chimiquement lié à la matrice de résine réticulée. Néanmoins, la réutilisation de fibres de carbone couteuses rend le recyclage des CFRPs potentiellement viable en termes d’économie. Dans notre laboratoire, une étude multi-échelle d’un procédé de vapo-thermolyse a été réalisée, dont l'objectif est de séparer les fibres de carbone de matrices polymériques en utilisant la vapeur d’eau surchauffée. Afin d’obtenir une meilleure compréhension du comportement de dégradation thermique des matériaux CFRP, de nombreuses analyses thermiques ainsi que les caractérisations physico-chimiques ont été effectuées sur différentes fibres de carbone, résines polymériques (époxyde ou polyphénylène sulfide) et les composites correspondants. Une étude cinétique a été également abordée. Les plans d’expériences réalisées à l'échelle pilote dans un réacteur sophistiqué permettent de déterminer les conditions expérimentales optimales du procédé semi-industriel. Les fibres de carbone récupérées à partir de conditions optimisées apparaissent propres, sans résine et conservent plus de 90% de leur résistance à la traction d’origine. Les phases gazeuse et liquide émises ont également été quantitativement analysées. La modélisation de l’écoulement et des transferts thermiques du réacteur ainsi que la simulation de la dégradation de matrices polymériques montrent les résultats comparables avec les observations expérimentales. L’analyse du cycle de vie indique que le recyclage des CFRPs peut être favorable pour l’environnement par rapport au scénario de mise en décharge. / Carbon fiber reinforced polymer-matrix composite (CFRP) is a highly valued material because of its exceptional strength, rigidity, light weight and durability. Significant fuel efficiency gains and carbon emission reduction can be obtained by replacing metal parts in automotive components with CFRPs. However, the recycling of CFRP waste is problematic because the reinforcement (carbon fiber) is chemically bonded to the cross-linked matrix resin. Nevertheless, the reuse of expensive carbon fibers makes the recycling a potentially economically viable option. A thermal process to separate carbon fibers from polymer matrix by using superheated steam has been studied in our laboratory at both bench and pilot scale. In order to understand the thermal degradation behavior of the CFRP materials, the thermal analyses along with the physicochemical characterizations of various carbon fibers, polymer resins (epoxy or polyphenylene sulfide) as well as the corresponding composites have been carried out. A kinetic study has also been conducted. The experimental design performed in a sophisticated pilot reactor helps to determine the optimal experimental conditions of the process in a semi-industrial scale. Reclaimed carbon fibers from optimized steam-thermolysis appear resin free and exhibit over 90% of their original tensile strength. The gas and liquid phases emitted from the process have also been analyzed quantitatively. The flow modeling of the reactor and the simulation of the polymer thermal degradation are in close agreement with the experimental observations. The life cycle assessment shows that the CFRP recycling can be environmentally beneficial compared to the disposal scenario.

L'industrie de la fibre de carbone connaît actuellement une forte croissance, passant d'une demande annuelle mondiale de 18 000 tonnes en 2001 à 48 000 tonnes en 2013. Entre l'important gisement de déchets composites à valoriser et les différentes mesures législatives françaises et européennes prises en faveur d'une gestion durable des déchets, le recyclage des composites carbone (PRFC - Polymères Renforcés de Fibres de Carbone) offre d'intéressantes perspectives environnementales et économiques. L'objectif de ce travail de thèse est d'obtenir des composites thermoplastiques à partir de fibres de carbone recyclées. Des fibres de carbone ont ainsi été récupérées du traitement par vapo-thermolyse de composites à matrice époxyde fabriqués par LRI (Liquid Resin Infusion). La vapo-thermolyse est un procédé thermochimique utilisant la vapeur d'eau surchauffée à pression atmosphérique pour la dégradation de la matrice organique des composites et la récupération des fibres de carbone. De prime abord, l'étude des propriétés des fibres montre que le procédé est particulièrement efficace pour dégrader la résine tout en préservant les propriétés mécaniques des fibres récupérées. Deux voies de formulation sont alors proposées. La première concerne l'élaboration de granulés thermoplastiques pour l'injection ; la seconde l'élaboration de mats à orientation aléatoire pour la fabrication de TRE (Thermoplastique Renforcé Emboutissable). L'étude des propriétés mécaniques des composites ainsi élaborés montre des résultats comparables à ceux obtenus pour des matériaux élaborés à partir de fibres vierges. La fibre de carbone recyclée par vapo-thermolyse constitue donc une fibre compétitive en tant que renfort pour des composites thermoplastiques à fibres courtes. / World need in carbon fibre grew from 18,000 tons per year in 2001 to 48,000 tons in 2013. With the increasing amount of composite waste and the recent French or European legislation focus towards a sustainable waste management, carbon fibre composites recycling offers interesting economic and environmental perspectives. This project aims at enabling the manufacturing of thermoplastic composites from recycled carbon fibres. To reach this goal, PAN-based carbon fibres were recycled from epoxy resin/carbon fibre composites by steam-thermolysis. It is a thermochemical process using superheated steam at environmental pressure to degrade the organic matrix of composites and thus to recover carbon fibres. Reclaimed carbon fibres were first studied so as to show that the steam-thermal process is particularly efficient to degrade the epoxy resin of composites while maintaining fibres mechanical properties. Two kinds of composites were then considered: short-fibre reinforced compounds for injection and randomly-oriented fibre mat reinforced thermoplastics. Their mechanical properties were studied and results show that mechanical performances of recycled carbon fibre-based composites are similar to those of virgin carbon fibre-based composites. Steam-thermolysis recycled carbon fibre is a competitive fibre while being used as reinforcement for short fibre reinforced thermoplastics.