Electrochemical and photocatalytic reactions of polycyclic aromatic hydrocarbons investigated by raman spectroscopy

This paper presents the study of photochemical behavior of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs), potential pollutants in secondary reactions in aerosols, through Raman spectroscopy compared with its electrochemical behavior. The PAHs studied include pyrene, anthracene, phenanthrene and fluorene. These were adsorbed onto TiO2 and irradiated with ultraviolet light (254 nm). Their electrochemical oxidation was studied by in situ Surface-enhanced Raman Scattering (SERS) and led to the formation of carbonyl-containing products. Oxidized intermediates bearing the C=O group were also formed during photodegradation. The joint analysis of the photodegradation data with those produced by electrochemical means - using spectroscopic techniques for the identification and characterization of the products - revealed the formation of identical products for anthracene, but not for pyrene. A reasonable explanation for this difference in results is that photochemical and electrochemical oxidation reactions proceed via different mechanisms. While photocatalytic degradation over TiO2 is initiated by hydroxyl radicals, electrochemical oxidation is initiated by the direct electron transfer from adsorbed PAH to the electrode, generating PAH cation radicals that undergo subsequent reactions.

Effect of terbium(III) on the binding of aromatic guests with sodium taurocholate aggregates

The effect of binding Tb(3+) to sodium taurocholate aggregates containing polyaromatic hydrocarbon guests was examined using pyrene and 1-ethylnaphthalene as guests that bind to the primary aggregate, and 1-naphthyl-1-ethanol as a secondary aggregate guest. Time-resolved fluorescence quenching studies were used to study the binding site properties, while laser flash photolysis quenching studies provided information on the dynamics of the guest-aggregate system. Both the primary and secondary aggregate binding sites became more compact in the presence of bound Tb(3+), while only the primary aggregate became more accessible to anionic molecules. The binding dynamics for the guest-primary aggregate system became faster when Tb(3+) was bound to the aggregate. In contrast, for the guest-secondary aggregate the presence of Tb(3+) resulted in a small decrease in the dissociation rate constant. The influence of bound Tb(3+) on the primary and secondary bile salt aggregates is significantly different, which affects how these aggregates can be used as supramolecular host systems to modify guest reactivity.

Variable temperature and pressure study of the aquation reactions of cobalt(III) and chromium(III) penta- and tetra-amines

Preparation of a series of specific penta- and tetra-amine derivatives of Co-III and Cr-III with a neutral leaving ligand has been carried out in order to accomplish a fine tuning of the associativeness/dissociativeness of their substitution reactions. Spontaneous aquation reactions of the neutral ligands have been studied at variable temperature and pressure. Although rate constants and thermal activation parameters show an important degree of scatter, the values determined for the activation volumes of the substitution process illustrate the mechanistic fine tuning that may be achieved for these reactions. In all cases, in the absence of important steric constraints in the molecule, electronic inductive effects seem to be the most important factor accounting for the dissociative shifts observed both for pentaamine (i.e.Delta V double dagger=+4.0 or +14.0 cm(3) mol(-1) and +5.2 or +16.5 cm(3) mol(-1) for the aquation of cis- or trans-[Co(MeNH2)(NH3)(4)(DMF)](3+) and cis- or trans-[CoL15(DMF)](3+) respectively, where L-15 represents a pentaamine macrocyclic ligand), and tetraamine systems (i.e.Delta V double dagger=+4.1 or +8.4 cm(3) mol(-1) and -10.8 or -7.4 cm(3) mol(-1) for the aquation of cis-[Co(NH3)(4)Cl(DMAC)](2+) (DMAC=dimethylacetamide) or cis-[Co(en)(2)Cl(DMAC)](2+) and cis-[Cr(NH3)(4)Cl(DMF)](2+) or cis -[Cr(en)(2)Cl(DMF)](2+)). From the results, clear evidence is obtained which indicates that, only when the situation is borderline I-a/I-d, or the steric demands are increased dramatically, dissociative shifts are observed; in all other cases electronic inductive effects seem to be dominant for such a tuning of the substitution process.

Experiments and modelling of phenanthrene biodegradation in the aqueous phase by a mixed culture

Pollution by polycyclic aromatic hydrocarbons(PAHs) is widespread due to unsuitable disposal of industrial waste. They are mostly defined as priority pollutants by environmental protection authorities worldwide. Phenanthrene, a typical PAH, was selected as the target in this paper. The PAH-degrading mixed culture, named ZM, was collected from a petroleum contaminated river bed. This culture was injected into phenanthrene solutions at different concentrations to quantify the biodegradation process. Results show near-complete removal of phenanthrene in three days of biodegradation if the initial phenanthrene concentration is low. When the initial concentration is high, the removal rate is increased but 20%-40% of the phenanthrene remains at the end of the experiment. The biomass shows a peak on the third day due to the combined effects of microbial growth and decay. Another peak is evident for cases with a high initial concentration, possibly due to production of an intermediate metabolite. The pH generally decreased during biodegradation because of the production of organic acid. Two phenomenological models were designed to simulate the phenanthrene biodegradation and biomass growth. A relatively simple model that does not consider the intermediate metabolite and its inhibition of phenanthrene biodegradation cannot fit the observed data. A modified Monod model that considered an intermediate metabolite (organic acid) and its inhibiting reversal effect reasonably depicts the experimental results.

Crown ether appended cyclam receptors for cationic guests

A series of crown ether appended macrocyclic amines has been prepared comprising benzo-12-crown-4, benzo-15-crown-5, or benzo-18-crown-6 attached to a diamino-substituted cyclam. The Co-III complexes of these three receptors have been prepared and characterized spectroscopically and structurally. Crystal structures of each receptor in complex with an alkali metal ion and structures of the benzo-12-crown-4 and benzo-15-crown-5-receptors without guest ions are reported. 2D NMR and molecular mechanics modeling have been used to examine conformational variations upon guest ion complexation. Addition of cations to these receptors results in an appreciable anodic shift in the Co-III:II 11 redox potential, even in aqueous solution, but little cation selectivity is observed. Evidence for complex formation has been corroborated by Na-23 and Li-7 NMR spectroscopy and electrospray mass spectrometry.

Intramolecular electronic energy transfer in bichromophoric macrocyclic complexes

Efficient intramolecular electronic energy transfer (EET) has been demonstrated for three novel bichromophoric compounds utilizing a macrocyclic spacer as the bridge between the electronic energy donor and acceptor fragments. As their free base forms, emission from the electronically excited donor is absent and the acceptor emission is reductively quenched via photoinduced oxidation of proximate amine lone pairs. As their Zn(II) complexes, excitation of the donor results in sensitization of the electronic acceptor emission.

Studies of the Antiproliferative Activity of Ruthenium (II) Cyclopentadienyl-Derived Complexes with Nitrogen Coordinated Ligands

Four cationic ruthenium(II) complexes with the formula [Ru(eta(5)-C5H5)(PPh3)(2)](+), with L = 5-phenyl-1H-tetrazole (TzH) 1, imidazole (ImH) 2, benzo[1,2-b; 4,3-b'] dithio-phen-2-carbonitrile (Bzt) 3, and [5-(2-thiophen-2-yl)-vinyl]-thiophene-2-carbonitrile] (Tvt) 4 were prepared and characterized in view to evaluate their potentialities as antitumor agents. Studies by Circular Dichroism indicated changes in the secondary structure of ct-DNA. Changes in the tertiary structure of pBR322 plasmid DNA were also observed in gel electrophoresis experiment and the images obtained by atomic force microscopy (AFM) suggest strong interaction with pBR322 plasmid DNA; the observed decreasing of the viscosity with time indicates that the complexes do not intercalate between DNA base pairs. Compounds 1, 2, and 3 showed much higher cytotoxicity than the cisplatin against human leukaemia cancer cells (HL-60 cells).

Size distribution of polycyclic aromatic hydrocarbons in a roadway tunnel in Lisbon, Portugal

Atmospheric aerosols of four aerodynamic size ranges were collected using high volume cascade impactors in an extremely busy roadway tunnel in Lisbon (Portugal). Dust deposited on the tunnel walls and guardrails was also collected. Average particle mass concentrations in the tunnel atmosphere were more than 30 times higher than in the outside urban background air, revealing its origins almost exclusively from fresh vehicle emissions. Most of the aerosol mass was concentrated in submicrometer fractions (65%), and polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH) were even more concentrated in the finer particles with an average of 84% of total PAH present in sizes smaller than 0.49 mu m. The most abundant PAH were methylated phenanthrenes, fluoranthene and pyrene. About 46% of the total PAH mass was attributed to lower molecular weight compounds (two and three rings), suggesting a strong influence of diesel vehicle emissions on the production of local particulate PAH. The application of diagnostic ratios confirmed the relevance of this source of PAH in the tunnel ambient air. Deposited dust presented PAH profiles similar to the coarser aerosol size range, in agreement with the predominant origin of coarser aerosol particles from soil dust resuspension and vehicle wear products. (c) 201 1 Elsevier Ltd. All rights reserved.

New syntheses of potential biologically active xanthones and benzoxanthones

10º Encontro Nacional de Química Orgânica e 1º Simpósio Luso-Brasileiro de Química Orgânica, Lisboa, 4-6 Setembro de 2013.

Influence of tobacco smoke on carcinogenic PAH composition in indoor PM10 and PM2.5

Because of the mutagenic and/or carcinogenic properties, Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAH), have a direct impact on human population. Consequently, there is a widespread interest in analysing and evaluating the exposure to PAH in different indoor environments, influenced by different emission sources. The information on indoor PAH is still limited, mainly in terms of PAH distribution in indoor particles of different sizes; thus, this study evaluated the influence of tobacco smoke on PM10 and PM2.5 characteristics, namely on their PAH compositions, with further aim to understand the negative impact of tobacco smoke on human health. Samples were collected at one site influenced by tobacco smoke and at one reference (non-smoking) site using low-volume samplers; the analyses of 17 PAH were performed by Microwave Assisted Extraction combined with Liquid Chromatography (MAE–LC). At the site influenced by tobacco smoke PM concentrations were higher 650% for PM10, and 720% for PM2.5. When influenced by smoking, 4 ring PAH (fluoranthene, pyrene, and chrysene) were the most abundant PAH, with concentrations 4600–21 000% and 5100–20 800% higher than at the reference site for PM10 and PM2.5, respectively, accounting for 49% of total PAH (SPAH). Higher molecular weight PAH (5–6 rings) reached concentrations 300–1300% and 140–1700% higher for PM10 and PM2.5, respectively, at the site influenced by tobacco smoke. Considering 9 carcinogenic PAH this increase was 780% and 760% in PM10 and PM2.5, respectively, indicating the strong potential risk for human health. As different composition profiles of PAH in indoor PM were obtained for reference and smoking sites, those 9 carcinogens represented at the reference site 84% and 86% of SPAH in PM10 and PM2.5, respectively, and at the smoking site 56% and 55% of SPAH in PM10 and PM2.5, respectively. All PAH (including the carcinogenic ones) were mainly present in fine particles, which corresponds to a strong risk for cardiopulmonary disease and lung cancer; thus, these conclusions are relevant for the development of strategies to protect public health.

Novos compostos orgânicos reticuláveis para aplicações em células fotovoltaicas

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de mestre em Engenharia Química e Biológica

Electro-remediação de solos contaminados com pesticidas

O herbicida bentazona (2,2-dióxido de 3-isopropil (1H) -benzo-2,1,3-triadiazin-4- ona) é um herbicida pós emergente selectivo, com uso recomendado para a cultura do arroz. Apresenta baixa persistência no solo, onde é adsorvido pelos colóides minerais e orgânicos, e um tempo de meia vida inferior a 2 semanas, associado a um elevado potencial de lixiviação e contaminação de águas subterrâneas. Nos estudos efectuados até ao momento, a bentazona não é degradada pelos microrganismos, o que levou à necessidade de procurar outras técnicas de remoção do pesticida. Foi estudada uma técnica inovadora, a electro-remediação, que consiste na aplicação de uma corrente contínua de baixa intensidade à matriz contaminada, funcionando o campo eléctrico formado como “agente de limpeza”. Este campo arrasta os contaminantes pela matriz, por acção de processos de transporte, nomeadamente, electromigração, electroosmose e electroforese. Foram realizados quatro ensaios, num solo colhido num arrozal, onde se procedeu à contaminação forçada do solo com uma solução de bentazona, submetendo-o à acção dum campo eléctrico durante vários dias. Os teores de bentazona no solo, após extracção com solvente por sonicação, e nas soluções de anólito e católito, após extracção por fase sólida, foram determinados por cromatografia líquida de alta eficiência. Concluiu-se que a bentazona é mobilizada no solo pela acção do campo eléctrico e esta remoção é dependente do pH.

Determinação de hidrocarbonetos aromáticos policíclicos em águas por microextracção em fase líquida associada à cromatografia gasosa e espectrometria de massa

Dissertação apresentada na Faculdade de Ciências e Tecnologia da Universidade Nova de Lisboa para a obtenção do grau de Mestre em Tecnologia Segurança e Qualidade Alimentar

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNOS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de agentes oxidantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos agentes oxidantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por agentes oxidantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três agentes oxidantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como agentes oxidantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se utilizou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (871 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L). Na presença de HClO, o valor de CAT mais elevado pertence a uma amostra de sumo (513 mg AAE/L) mas, o valor de CAT da amostra de sumo natural é muito mais baixa do que o esperado (17 mg AAE/L). Foram estudados outros antioxidantes para além do AA (ácido cumárico, ácido gálico e ácido cafeico), e constatou-se que cada um deles promove proteção ao dA20-EPC na presença de cada um dos diferentes contaminantes (H2O2, NO• e HClO).

Estudo eletroquímico do dano oxidativo promovido por RNS e PAH e o efeito protetor de antioxidantes no ADN

No dia-a-dia, os organismos vivos estão sujeitos a vários tipos de agressões de origem endógena e exógena. A produção endógena exagerada de contaminantes que ocorre nos processos metabólicos dos seres vivos está intimamente associada ao aparecimento e desenvolvimento de várias patologias. Por outro lado, e devido às atividades antropogénicas, muitos contaminantes de origem ambiental e alimentar entram por via exógena no organismo dos seres vivos provocando igualmente danos a nível celular. De modo a protegerem-se dos efeitos pejorativos provocados por estes compostos, os organismos vivos desenvolveram mecanismos complexos de defesa antioxidante. Este trabalho consistiu no estudo eletroquímico do dano oxidativo induzido por contaminantes (PAH (hidrocarbonetos aromáticos policíclicos), H2O2, NO• e HClO) e do efeito protetor, ao dano oxidativo, promovido por antioxidantes no material baseado no ADN recorrendo à utilização de um biossensor de bases púricas, adenina-EPC (elétrodo pasta de carbono) e dA20-EPC, utilizando a voltametria de onda quadrada (VOQ) como técnica de deteção. A aplicação da eletroquímica apresenta várias vantagens para a quantificação da capacidade antioxidante total (CAT) pois, permite a redução da quantidade de reagentes e amostra em análise, elimina a etapa de remoção de cor (a cor é um interferente nos métodos óticos) e não requer equipamentos dispendiosos. Foram seguidas diferentes abordagens para a construção dos biossensores. A primeira consistiu na construção de um adenina-EPC em três etapas: i) condicionamento do EPC, ii) eletrodeposição da adenina no EPC e iii) leitura do sinal eletroquímico. Assim, foram otimizados diversos parâmetros: concentração de adenina (150,0 mg/L), potencial de condicionamento (Ec) (+ 1,80 V), potencial de deposição (Ed) (+ 0,40 V), tempo de condicionamento (tc) (180 s) e tempo de deposição (td) (240 s). Foi aplicado o adenina-EPC no estudo do dano oxidativo provocado por PAH (benzo (g,h,i) perileno) e constatou-se que era necessário transformar o benzo (g,h,i) perileno num radical para se possível observar danos oxidativos induzidos no biossensor. A nova estratégia consistiu na construção de um dA20-EPC, através da adsorção física de uma gota de dA20 na superfície do EPC, com posterior secagem e leitura do sinal eletroquímico. Neste procedimento foi otimizada a concentração de dA20 (100,0 mg/L). O dano oxidativo provocado pelo H2O2, NO• e HClO foi estudado sobre o dA20-EPC e verificou-se que os três contaminantes induziam dano oxidativo no dA20-EPC. Confirmou-se a capacidade do ácido ascórbico (AA) em proteger o dA20-EPC do dano oxidativo induzido por H2O2 e NO•. O biossensor desenvolvido (dA20-EPC) foi aplicado na avaliação da CAT de diferentes amostras reais (café, sumo de laranja e água aromatizada de laranja) usando-se como contaminantes o H2O2 e NO•. Todas as amostras analisadas apresentaram ter capacidade antioxidante. Quando se usou o dA20-EPC na presença de H2O2, verificou-se que as amostras de café apresentam valores mais elevados de CAT (1130-1488 mg AAE/L) do que as amostras de bebidas (110 mg AAE/L em água aromatizada e 775 mg AAE/L em sumo). Os valores de CAT obtidos para amostras de sumo e água aromatizada na presença de NO• indicam que a amostra de sumo possui maior teor de CAT (526 mg AAE/L) conforme era esperado, do que a amostra de água aromatizada (172 mg AAE/L).