The WaaL O-antigen lipopolysaccharide ligase has features in common with metal ion-independent inverting glycosyltransferases(*)

WaaL is a membrane enzyme that catalyzes a key step in lipopolysaccharide (LPS) synthesis: the glycosidic bonding of a sugar at the proximal end of the undecaprenyl-diphosphate (Und-PP) O-antigen with a terminal sugar of the lipid A-core oligosaccharide (OS). Utilizing an in vitro assay, we demonstrate here that ligation with purified Escherichia coli WaaL occurs without adenosine-5'-triphosphate (ATP) and magnesium ions. Furthermore, E. coli and Pseudomonas aeruginosa WaaL proteins cannot catalyze ATP hydrolysis in vitro. We also show that a lysine substitution of the arginine (Arg)-215 residue renders an active protein, whereas WaaL mutants with alanine replacements in the periplasmic-exposed residues Arg-215, Arg-288 and histidine (His)-338 and also the membrane-embedded aspartic acid-389 are nonfunctional. An in silico approach, combining predicted topological information with the analysis of sequence conservation, confirms the importance of a positive charge at the small periplasmic loop of WaaL, since an Arg corresponding to Arg-215 was found at a similar position in all the WaaL homologs. Also, a universally conserved H[NSQ]X(9)GXX[GTY] motif spanning the C-terminal end of the predicted large periplasmic loop and the membrane boundary of the transmembrane helix was identified. The His residue in this motif corresponds to His-338. A survey of LPS structures in which the linkage between O-antigen and lipid A-core OS was elucidated reveals that it is always in the beta-configuration, whereas the sugars bound to Und-PP are in the alpha-configuration. Together, our biochemical and in silico data argue that WaaL proteins use a common reaction mechanism and share features of metal ion-independent inverting glycosyltransferases.

Palladium-catalyzed liquid-phase hydrogenation/hydrogenolysis of disulfides

For the first time, the hydrogenation/hydrogenolysis of a range of disulfides has been achieved over a supported palladium catalyst using hydrogen under relatively benign conditions. These unexpected results demonstrate that it is possible to avoid the poisoning of the catalyst by either the nitrogen-containing groups or the sulfur species, allowing both efficient reaction and recycling of the catalyst under the proper conditions (e.g., at low temperatures). A slight loss in activity was found on recycling; however, the catalyst activity can be recovered using hydrogen pretreatment. The reaction mechanism for the hydrogenolysis and hydrogenation of ortho-, meta-, and para-dinitrodiphenyldisulfide to the corresponding aminothiophenol has been elucidated. Density functional theory calculations were used to investigate the adsorption mode of the dinitrodiphenyldisulfides; a clear dependence on adsorption geometry was found regarding whether the molecule is cleaved at the S-S bond before the reduction of the nitro group or vice versa. This study demonstrates the versatility of these catalysts for the hydrogenation/hydrogenolysis of sulfur-containing molecules, which normally are considered poisons, and will extend their use to a new family of substrates. (C) 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

A fast transient kinetic study of the effect of H-2 on the selective catalytic reduction of NOx with octane using isotopically labelled (NO)-N-15

The H-2-assisted hydrocarbon selective catalytic reduction (HC-SCR) of NO, was investigated using fast transient kinetic analysis coupled with isotopically labelled (NO)-N-15. This allowed monitoring of the evolution of products and reactants during switches of H-2 in and out of the SCR reaction mix. The results obtained with a time resolution of less than 1 s showed that the effect on the reaction of the removal or addition of H-2 was essentially instantaneous. This is consistent with the view that H-2 has a direct chemical effect on the reaction mechanism rather than a secondary one through the formation of "active" Ag clusters. The effect of H-2 partial pressure was investigated at 245 degrees C, it was found that increasing partial pressure of H-2 resulted in increasing conversion of NO and octane. It was also found that the addition of H-2 at 245 degrees C had different effects on the product distribution depending on its partial pressure. The change of the nitrogen balance over time during switches in and out of hydrogen showed that significant quantities of N-containing species were stored when hydrogen was introduced to the system. The positive nitrogen balance on removal of H-2 from the gas phase showed that these stored species continued to react after removal of hydrogen to form N-2. (c) 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Low-temperature oxidation reactions of ethane over a Pt/Al2O3 catalyst

Oxidative dehydrogenation of ethane was performed under conventional microreactor and TAP reactor conditions over a Pt/Al2O3 catalyst between 100 and 600 degreesC. During TAP studies, no ethene was produced whereas under flow conditions small but significant ethene formation was observed. This is consistent with a mechanism involving the gas-phase production of ethene rather than via a surface reaction. In comparison, both hydrogen and methane formation were found under TAP conditions and the trends with temperature and surface oxide composition are interpreted in terms of successive dehydrogenation steps on the catalyst surface. It is further observed that periodic introduction of the reactants can minimize deactivation processes. (C) 2003 Elsevier Inc. All rights reserved.

Probing Bias-Dependent Electrochemical Gas-Solid Reactions in (LaxSr1-x)CoO3-delta Cathode Materials

Spatial variability of bias-dependent electrochemical processes on a (La0.5Sr0.5)(2)CoO4 +/- modified (LaxSr1-x)CoO3- surface is studied using first-order reversal curve method in electrochemical strain microscopy (ESM). The oxygen reduction/evolution reaction (ORR/OER) is activated at voltages as low as 3-4 V with respect to bottom electrode. The degree of bias-induced transformation as quantified by ESM hysteresis loop area increases with applied bias. The variability of electrochemical activity is explored using correlation analysis and the ORR/OER is shown to be activated in grains at relatively low biases, but the final reaction rate is relatively small. At the same time, at grain boundaries, the onset of reaction process corresponds to larger voltages, but limiting reactivity is much higher. The reaction mechanism in ESM of mixed electronic-ionic conductor is further analyzed. These studies both establish the framework for probing bias-dependent electrochemical processes in solids and demonstrate rich spectrum of electrochemical transformations underpinning catalytic activity in cobaltites.

Water-mediated electrochemical nano-writing on thin ceria films

Bias dependent mechanisms of irreversible cathodic and anodic processes on a pure CeO2 film are studied using modified atomic force microscopy (AFM). For a moderate positive bias applied to the AFM tip an irreversible electrochemical reduction reaction is found, associated with significant local volume expansion. By changing the experimental conditions we are able to deduce the possible role of water in this process. Simultaneous detection of tip height and current allows the onset of conductivity and the electrochemical charge transfer process to be separated, further elucidating the reaction mechanism. The standard anodic/cathodic behavior is recovered in the high bias regime, where a sizable transport current flows between the tip and the film. These studies give insight into the mechanisms of the tip-induced electrochemical reactions as mediated by electronic currents, and into the role of water in these processes, as well as providing a different approach for electrochemical nano-writing.

Ethanol Steam Reforming on Rh Catalysts: Theoretical and Experimental Understanding

Through combined theoretical and experimental efforts, the reaction mechanism of ethanol steam reforming on Rh catalysts was studied. The results suggest that acetaldehyde (CH3CHO) is an important reaction intermediate in the reaction on nanosized Rh catalyst. Our theoretical work suggests that the H-bond effect significantly modifies the ethanol decomposition pathway. The possible reaction pathway on Rh (211) surface is suggested as CH3CH2OH -> CH3CH2O -> CH3CHO -> CH3CO -> CH3 + CO -> CH2 + CO -> CH + CO -> C + CO, followed by the water gas shift reaction to yield H-2 and CO2. In addition, we found that the water-gas shift reaction, not the ethanol decomposition, is the bottleneck for the overall ethanol steam reforming process. The CO + OH association is considered the key step, with a sizable energy barrier of 1.31 eV. The present work first discusses the mechanisms and the water effect in ethanol steam reforming reactions on Rh catalyst from both theoretical and experimental standpoints, which may shed light on designing improved catalysts.

Theoretical and experimental understanding on ethanol steam reforming for H-2 production

H2 is considered to be a potential alternative fuel due to its high energy density by weight and working with pollution free. Currently, ethanol conversion to hydrogen has drawn much attention because it provides a viable way for H2 production from renewable resources. In this work, we combined theoretical and experimental efforts to study the reaction mechanism of ethanol steam reforming on Rh catalysts. The results suggest that acetaldehyde (CH3CHO) is an important reaction intermediate in the reaction on nano-sized Rh catalyst. Our theoretical work suggests that the H-bond effect significantly modifies the ethanol decomposition pathway. The possible reaction pathway on Rh (211) surface is suggested as: CH3CH2OH → CH3CH2O → CH3CHO → CH3CO → CH3+CO → CH2+CO → CH+CO → C+CO, followed by the water gas shift reaction to yield H2 and CO2. It was found that that the water gas shift reaction is paramount in the ethanol steam reforming process.

Selective hydrogenation of fatty acids to alcohols over highly dispersed ReOx/TiO2 catalyst

Production of fatty alcohols through selective hydrogenation of fatty acids was studied over a 4% ReOx/TiO2 catalyst. Stearic acid was hydrogenated to octadecanol at temperatures and pressures between 180-200 degrees C and 2-4 MPa, with selectivity reaching 93%. A high yield of octadecanol was attributed to a strong adsorption of the acid compared to alcohol on the catalyst, which inhibits further alcohol transformation to alkanes. Low amounts (<7%) of alkanes (mainly octadecane) were formed during the conversion of stearic acid. However, it was found that the catalyst could be tuned for the production of alkanes. The reaction intermediates were octadecanal and stearyl stearate. Based on the reaction products analysis and catalyst characterization, a reaction mechanism and possible pathways were proposed.

Novos derivados porfirínicos: síntese e potenciais aplicações em PDT

O trabalho apresentado nesta dissertação descreve estudos desenvolvidos segundo três metodologias para a funcionalização de meso-tetra-arilporfirinas; uma delas baseada na funcionalização com diazo compostos, outra na reacção de Suzuki-Miyaura e a terceira na reacção de metátese. O presente documento é composto por quatro partes distintas. Na primeira parte são feitas considerações gerais sobre propriedades e aplicações de macrociclos porfirínicos. Na segunda parte é apresentado o trabalho realizado na funcionalização de porfirinas com diazo compostos através de reacções de inserção com um catalisador de ródio(II). Este estudo envolveu a preparação de duas porfirinas com grupos O-H e N-H nas posições para dum substituinte meso-fenilo. Os estudos iniciaram-se com a reacção de 5-(4-hidroxifenil)-10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com diazoacetato de etilo na presença de Rh2(OAc)4. Obteve-se o produto esperado de inserção com bons rendimentos. A reacção de 5-(4-aminofenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) com esse diazo composto na presença de Rh2(OAc)4 mostrou um perfil diferente do da reacção com o outro porfirinato. Foram obtidos três produtos, a saber: produto de bis-inserção e dois outros contendo o grupo funcional amida. Este capítulo descreve ainda a síntese de glicoporfirinas e de glicoclorinas através de reacções de inserção e de ciclopropanação envolvendo, respectivamente, os complexos 5-(4-hidroxifenil)- 10,15,20-trifenilporfirinatozinco(II) e 5,10,15,20- tetraquis(pentafluorofenil)porfirinatozinco(II) com α-diazoacetatos com substituintes sacarídicos. Foram usados, como catalisadores, Rh2(OAc)4 e CuCl, respectivamente, na reacção de inserção e na de ciclopropanação. Tendo em vista a sua aplicação em PDT, os novos produtos foram descomplexados e a unidade glicosídica foi desprotegida. Estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que os compostos obtidos são bons geradores dessa espécie citotóxica. Foram também realizados estudos de avaliação da actividade fotodinâmica em células humanas tumorais HeLa e em células humanas saudáveis HaCaT. Estudos de viabilidade celular, após tratamento fotodinâmico, mostraram que as glicoclorinas são mais eficazes na fotoinactivação das células tumorais. Apenas o derivado da clorina com a unidade de galactose mostrou selectividade para a linha celular tumoral, inibindo o crescimento desta e não causando efeito significativo na linha celular saudável. Este fotossensibilizador não foi tóxico na ausência de luz e depois do tratamento fotodinâmico e em condições sub-letais, provocou vacuolização citoplasmática e retracção pronunciada nas células tumorais, enquanto que nas células saudáveis os danos sofridos foram escassos. Nos estudos de localização celular este fotossensibilizador localizou-se na membrana citoplasmática e nos lisossomas tanto nas células HeLa como nas HaCaT. Na terceira parte deste trabalho são descritos os resultados obtidos nos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de Suzuki-Miyaura. O complexo 2-(4,4,5,5,-tetrametil-1,3,2-dioxaborolan-2-il)-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) foi o composto escolhido como reagente de partida. Usando a reacção de Suzuki foi possível sintetizar complexos β-bromoarilporfirínicos em bons rendimentos. Estes complexos foram sujeitos à reacção de Suzuki com pinacolborano, tendo sido possível obter os produtos de acoplamento esperados e ainda derivados diméricos de complexos porfirínicos ligados por unidades fenileno. Esta metodologia reacional, catalisada por paládio, permitiu ainda sintetizar novos derivados quinolona-porfirina através da reacção do complexo porfirínico β-borilado anteriormente referido com bromo-quinolonas Nsubstiuídas com grupos alquílicos e glicosídicos. Deste modo foram obtidos derivados quinolona-porfirina em bons rendimentos. Com vista a realizar estudos de potencial aplicação em PACT, foram hidrolisados os grupos éster da unidade de quinolona e clivados os grupos protectores das unidades glicosídicas desses derivados. No estudo por MS Tandem (MS/MS) foi possível verificar que os isómeros dos derivados quinolona-porfirina sofrem as mesmas vias de fragmentação, confirmando as suas estruturas análogas. Foi possível ainda distinguir os derivados em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da posição C-6 da quinolona daqueles em que a unidade de porfirina está ligada à quinolona através da sua posição C-7. Os estudos de geração de oxigénio singuleto mostraram que as porfirinas β- substituídas com unidades de quinolona são melhores geradoras desta espécie citotóxica do que a tetrafenilporfirina e que a eficiência que têm em gerar essa espécie é afectada pela posição da ligação entre a porfirina e a quinolona, assim como com o tipo do N-substituinte da quinolona. As bases livres dos conjugados quinolona-porfirinatos foram testadas como fotossensibilizadores em PACT em células do parasita Leishmania Braziliensis, tendo-se observado que estes compostos têm capacidade para fotoinactivar este parasita. Na quarta parte deste trabalho são descritos os resultados dos estudos de funcionalização de porfirinas através da reacção de metátese com catalisador de Grubbs, visando a obtenção de novos macrociclos com grupos triazolilo. Verificouse que a eficiência da reacção de metátese cruzada entre 2-vinil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatozinco(II) e 4-vinil-1,2,3-triazóis N-substituídos dependia das condições reaccionais e do triazol usado em cada caso. Foi possível ainda concluir que o impedimento estéreo das espécies envolvidas é um dos responsáveis pelo ciclo catalítico prosseguir por uma via secundária, originando uma espécie de ruténio pouco eficiente como catalisador. Este estudo foi estendido à reacção dos 4-vinil-1,2,3-triazois seleccionados com 2-butadienil-5,10,15,20- tetrafenilporfirinatoniquel(II); em cada caso foi possível obter uma mistura de isómeros dos derivados triazol-porfirina, geralmente em maiores rendimentos globais do que na reacção com 2-vinil-5,10,15,20-tetrafenilporfirinatozinco(II). Este facto será indicativo de que a reacção de metátase com esse derivado porfirínico segue, predominantemente, a via mais eficiente.

Cimentos de fosfato de magnésio: consolidação e caracterização

A reação entre o óxido de magnésio (MgO) e o fosfato de monoamónio (MAP), à temperatura ambiente, origina os cimentos de fosfato de magnésio, materiais caracterizados pela sua presa rápida e pelas excelentes propriedades mecânicas adquiridas precocemente. As propriedades finais são dependentes, essencialmente, da composição do cimento (razão molar magnésia:fosfato e utilização de retardantes de presa) mas também são influenciadas pela reatividade da magnésia utilizada. Neste trabalho, a reação foi caracterizada através do estudo da influência da razão molar MgO:MAP (variando de 1:1 até 8:1), da presença e teor de aditivos retardantes (ácido bórico, ácido cítrico e tripolifosfato de sódio) e da variação da área superficial específica da magnésia (conseguida por calcinação do óxido), no tempo de presa, na temperatura máxima atingida e nas fases cristalinas finais formadas. A reação de presa pode ser comparada à hidratação do cimento Portland, com a existência de 4 estágios (reação inicial, indução, aceleração e desaceleração), com a diferença que estes estágios ocorrem a velocidade muito mais alta nos cimentos de fosfato de magnésio. Este estudo foi realizado utilizando a espetroscopia de impedâncias, acompanhada pela monitorização da evolução de temperatura ao longo do tempo de reação e, por paragem de reação, identificando as fases cristalinas formadas. A investigação do mecanismo de reação foi complementada com a observação da microestrutura dos cimentos formados e permitiu concluir que a origem da magnésia usada não afeta a reação nem as propriedades do cimento final. A metodologia de superfície de resposta foi utilizada para o estudo e otimização das características finais do produto, tendo-se mostrado um método muito eficaz. Para o estudo da variação da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação (temperatura e tempo de patamar) usou-se o planeamento fatorial de experiências tendo sido obtido um modelo matemático que relaciona a resposta da área superficial específica da magnésia com as condições de calcinação. As propriedades finais dos cimentos (resistência mecânica à compressão e absorção de água) foram estudadas utilizando o planeamento simplex de experiências, que permitiu encontrar modelos que relacionam a propriedade em estudo com os valores das variáveis (razão molar MgO:MAP, área superficial específica da magnésia e quantidade de ácido bórico). Estes modelos podem ser usados para formular composições e produzir cimentos com propriedades finais específicas.

Study of the production of polyesters for polyurethanes at pilot plant scale

Dissertação para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Química

Étude structure-fonction des fructose-1,6-bisphosphate aldolases métallo-dépendantes : mécanisme catalytique et développement d’antimicrobiens

Les fructose-1,6-bisphosphate aldolases (FBPA) sont des enzymes glycolytiques (EC 4.1.2.13) qui catalysent la transformation réversible du fructose-1,6-bisphosphate (FBP) en deux trioses-phosphates, le glycéraldéhyde-3-phosphate (G3P) et le dihydroxyacétone phosphate (DHAP). Il existe deux classes de FBPA qui diffèrent au niveau de leur mécanisme catalytique. Les classes I passent par la formation d’un intermédiaire covalent de type iminium alors que les classes II, métallodépendantes, utilisent généralement un zinc catalytique. Contrairement au mécanisme des classes I qui a été très étudié, de nombreuses interrogations subsistent au sujet de celui des classes II. Nous avons donc entrepris une analyse détaillée de leur mécanisme réactionnel en nous basant principalement sur la résolution de structures cristallographiques. De nombreux complexes à haute résolution furent obtenus et ont permis de détailler le rôle de plusieurs résidus du site actif de l’enzyme. Nous avons ainsi corrigé l’identification du résidu responsable de l’abstraction du proton de l’O4 du FBP, une étape cruciale du mécanisme. Ce rôle, faussement attribué à l’Asp82 (chez Helicobacter pylori), est en fait rempli par l’His180, un des résidus coordonant le zinc. L’Asp82 n’en demeure pas moins essentiel car il oriente, active et stabilise les substrats. Enfin, notre étude met en évidence le caractère dynamique de notre enzyme dont la catalyse nécessite la relocalisation du zinc et de nombreux résidus. La dynamique de la protéine ne permet pas d’étudier tous les aspects du mécanisme uniquement par l’approche cristallographique. En particulier, le résidu effectuant le transfert stéréospécifique du proton pro(S) sur le carbone 3 (C3) du DHAP est situé sur une boucle qui n’est visible dans aucune de nos structures. Nous avons donc développé un protocole de dynamique moléculaire afin d’étudier sa dynamique. Validé par l’étude d’inhibiteurs de la classe I, l’application de notre protocole aux FBPA de classe II a confirmé l’identification du résidu responsable de cette abstraction chez Escherichia coli (Glu182) mais pointe vers un résidu diffèrent chez H. pylori (Glu149 au lieu de Glu142). Nos validations expérimentales confirment ces observations et seront consolidées dans le futur. Les FBPA de classe II sont absentes du protéome humain mais sont retrouvées chez de nombreux pathogènes, pouvant même s'y révéler essentielles. Elles apparaissent donc comme étant une cible idéale pour le développement de nouveaux agents anti-microbiens. L’obtention de nouveaux analogues des substrats pour ces enzymes a donc un double intérêt, obtenir de nouveaux outils d’étude du mécanisme mais aussi développer des molécules à visée pharmacologique. En collaboration avec un groupe de chimistes, nous avons optimisé le seul inhibiteur connu des FBPA de classe II. Les composés obtenus, à la fois plus spécifiques et plus puissants, permettent d’envisager une utilisation pharmacologique. En somme, c’est par l’utilisation de techniques complémentaires que de nouveaux détails moléculaires de la catalyse des FBPA de classe II ont pu être étudiés. Ces techniques permettront d’approfondir la compréhension fine du mécanisme catalytique de l’enzyme et offrent aussi de nouvelles perspectives thérapeutiques.

Préparation, étude de l’orientation et caractérisation physico-chimique de films polymères comportant des fluorophores

Les propriétés intrinsèques, photophysiques, électrochimiques et cristallographiques des molécules fluorescentes 4,4'-bis(2-benzoxazolyle)stilbène (BBS) et 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyle)thiophène (BBT) ont été étudiées en solution et dans les polymères semi-cristallins : poly(butylène succinate) (PBS) et polylactide (PLA). Les deux fluorophores sont caractérisés par de hauts rendements quantiques absolus de fluorescence. Toutefois, une désactivation de la fluorescence peut se produire par croisement intersystème vers l'état triplet pour le BBT, et par photoisomérisation trans-cis pour le BBS. La cinétique de ce dernier processus dépend de la concentration, résultant en un pur isomère cis photo-induit à faibles concentrations, qui est accompagné à des concentrations élevées par l'apparition d'un composé acide après photo-clivage suivi d'une oxydation. Cette étude a révélé des changements spectroscopiques prononcés suite à l’augmentation de la concentration des fluorophores, en particulier à l'état solide, spécifiques à l'agrégation des molécules à l'état fondamental pour le BBT et à la formation d’excimères pour le BBS, permettant ainsi de corréler les propriétés fluorescentes avec les caractéristiques du monocristal pour chaque fluorophore. En outre, le passage d’une dispersion moléculaire à une séparation de phases dans le cas du BBS est accompagné d'un changement de couleur du bleu au vert, qui est sensible à la déformation, à la température et au temps, affectant les rendements quantiques absolus de fluorescence et fournissant une large opportunité à la création d'une grande variété de polymères intelligents indicateurs capables d'auto-évaluation. D’autre part, la solubilité élevée du BBT dans les solvants courants, combinée à ses propriétés optoélectroniques élevées, en font un candidat en tant que référence universelle de fluorescence et matériau intelligent à la fois pour les études de polymères et en solution. Similairement aux mélanges comprenant des polymères miscibles, l'orientation du PBS augmente après ajout d'une molécule fluorescente, dont les monomères ont tendance à être orientés dans des films étirés, contrairement aux excimères ou agrégats.

Colour Removal From Dye-House Efiluents Using Zero-Valent iron and Fenton Oxidation

This thesis Entitled Colour removal from dye house effluents using zero valent iron and fenton oxidation.Findings reported on kinetic profile during oxidation of dyes with Fenton’s reagent are in good agreement with observations of earlier workers on other organic substrates. This work goes a step further. Critical concentration of the dye at which the reaction mechanism undergoes transition has been identified.The oxidation of Reactive Yellow showed that the initial rates for decolorization increased linearly with an increase in hydrogen peroxide concentration over the range studied. Fenton oxidation of all dyes except Methylene Blue showed that the initial rates increased linearly with an in the ferrous sulphate concentration. This increase was observed only up to an optimum concentration beyond which further increase resulted in a decrease in the initial rates. Variation of initial rates with Ferrous sulphate concentration resulted in a linear plot passing through the origin indicating that the reaction is first order with respect to ferrous sulphate.