Modified electrodes with Keggin-type polyoxotungstates

O objectivo deste trabalho é a produção de novos eléctrodos modificados com polioxotungstatos (POMs) do tipo Keggin, incluindo POMs lacunares e substituídos por metais de transição. A preparação e caracterização dos polioxotungstatos encontram-se descritas no Capítulo 2. No Capítulo 3 descreve-se a produção de eléctrodos de carbono vítreo funcionalizados com sais híbridos de tetra-n-butilamónio de vários silicotungstatos pelo método de evaporação da gota. As propriedades electroquímicas dos polioxotungstatos imobilizados foram comparadas com as das espécies solúveis correspondentes. A morfologia dos depósitos foi avaliada por microscopia óptica e por microscopia electrónica de varrimento. No capítulo 4 descreve-se a preparação de novos eléctrodos compósitos de carbono e poli(hexilmetacrilato) com fosfotungstatos. Os estudos electroquímicos revelaram que as principais características dos POMs são mantidas e que os processos de redução são controlados por difusão, dependendo da difusão dos protões da solução. O Capítulo 5 descreve a construção de filmes em multicamadas ultrafinos contendo POMs e polietilenimina, preparados pelo método de auto-montagem camada-sobre-camada em eléctrodos de carbono vítreo. Os filmes em multicamada foram caracterizados por voltametria cíclica e por microscopia electrónica de varrimento e foi usada a espectroscopia de absorção de UV-Vis em placas de quartzo para monitorar o crescimento de filme. Os resultados voltamétricos revelaram que os processos de redução dos POM são confinados à superfície. Alguns destes eléctrodos modificados revelaram propriedades electrocatalíticas relativamente à redução dos aniões nitrito, bromato e/ou iodato. A espectroscopia de impedância electroquímica também foi usada na caracterização destes filmes e os resultados revelaram que a resistência à transferência de carga aumenta com o aumento do número de bicamadas para ambas as espécies redox, indicando que a espessura do filme tem um efeito importante sobre a cinética de reacções de transferência de carga. No capítulo 6 descreve-se a síntese de filmes híbridos orgânicos/inorgânicos compostos por poli(3,4-etilenodioxitiofeno) (PEDOT) e por silicotungstatos do tipo Keggin através da polimerização electroquímica, em condições aquosas, na superfície de electrodos de carbono vítreo. A voltametria cíclica revelou que as características principais dos POMs são mantidas nos filmes. Verificou-se que estes filmes são muito estáveis, possivelmente devido a fortes interacções electrostáticas entre os POMs aniónicos e o polímero positivamente carregado. A espectroscopia de impedância electroquímica foi também utilizada e os resultados mostraram que a resistência de transferência de carga aumenta com o aumento do pH e para valores de potenciais mais elevados. O capítulo 7 apresenta as conclusões finais e possíveis trabalhos futuros.

New oxomolybdenum(VI) hybrid materials

In this thesis, 2,2’-bipyridine (bipy), di-tert-butyl-2,2’-bipyridine (di-t-Bubipy), 2,2’-bipyridine-5,5’-dicarboxylic acid (H2bpdc), 2-[3(5)-pyrazolyl]pyridine (pzpy) and 2-(1-pentyl-3-pyrazolyl)pyridine (pent-pp) ligands were used as the N,N-chelate ligands in the formation of discrete [MoO2Cl2L]-type complexes. These complexes were employed as precursors for the preparation in aqueous media of oxomolybdenum(VI) products with a wide range of structural diversity. Three distinct heating methods were studied: hydrothermal, reflux or microwave-assisted synthesis. An alternative reaction with the inorganic molybdenum(VI) trioxide (MoO3) and the ligands di-t-Bu-bipy, H2bpdc and pzpy was also investigated under hydrothermal conditions. The distinct nature of the N,N-chelate ligands and/or the heating method employed promoted the isolation of a series of new oxomolybdenum(VI) hybrid materials that clearly reflected the strong structure-directing influence of these ligands. Thus, this thesis describes the synthesis and characterization of the discrete mononuclear [MoO2Cl2(pent-pp)], the dinuclear [Mo2O6(di-t-Bu-bipy)2] and the octanuclear [Mo8O22(OH)4(di-t-Bu-bipy)4] complexes as well as the highly unique polymeric materials {[MoO3(bipy)][MoO3(H2O)]}n, (DMA)[MoO3(Hbpdc)]·nH2O, [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n (fine structural details of compound [Mo2O6(pent-pp)]n are presently unknown; however, characterization data strongly pointed toward a polymeric oxide hybrid compound). The catalytic behaviour of the discrete complexes and the polymeric compounds was tested in olefin epoxidation reactions. Compounds [Mo3O9(pzpy)]n and [Mo2O6(pent-pp)]n acted as sources of soluble active species that where identified as the oxodiperoxido complexes [MoO(O2)2(pzpy)] and [MoO(O2)2(pent-pp)], respectively. The majority of the compounds here presented were fully characterized by using solid-state techniques, namely elemental analyses, thermogravimetry, FT-IR, solid-state NMR, electron microscopy and powder X-ray diffraction (both from laboratory and/or synchrotron sources).

Novos materiais com polioxotungstatos substituídos com metais d e f

The present work reports studies on the new compounds obtained by the combination of polyoxoanions derived from the Keggin and Lindquist structures with several cations. The studies were first focused on the monolacunary Keggin polyoxoanions [PW11O39M(H2O)]n- (M = FeIII, MnIII and n = 4; M = CoII and n = 5) and its combination with the organic cation 1-butyl-3-methylimidazolium (Bmim+). The association of Bmim+ cation with the polyoxoanion [PW11O39Fe(H2O)]4- allowed to isolate for the first time both the monomeric and the dimeric [PW11O39Fe)2O]10- anions, with the same cation and using simple bench techniques by pH manipulation. Studies regarding the stability of these inorganic species in solution indicated that both species are present in solution in equilibrium. However, the inability to up until now isolate the dimeric unit through simple bench methods, lead to the hypothesis that the cation had a role to play in the selective precipitation of either the monomer or the dimer. Repetition of the same procedures with the polyoxoanions [SiW11O39Fe(H2O)]5- and [PW11O39M(H2O)]n- (M = FeIII, MnIII and n = 4; M = Co and n = 5), afforded only the corresponding monomeric compounds, (Bmim)5[SiW11O39FeIII(H2O)]· 4H2O (3), (Bmim)5[PW11O39CoII(H2O)]· 0.5 H2O, (4) and (Bmim)5[PW11O39MnIII(H2O)]· 0.5 H2O (5). Moreover, the combination of Bmim+ and the polyoxotungstate [PW11O39Co(H2O)]5- afforded two different crystal structures, depending on the synthetic conditions. Thus, a ratio Bmim+:POM of 5:1 and the presence of K+ cations (due to addition of KOH) led to a formula Na2K(Bmim)2[PW11.2O39Co0.8(H2O)]·7H2O (4a), whilst a ratio Bmim:POM of 7:1 led to the formation of a crystal with the chemical formula Na2(Bmim)8[PW11O39Co(H2O)]2·3H2O (4b). Electrochemical studies were performed with carbon paste electrodes modified with BmimCl to investigate the influence of the Bmim+ cation in the performance of the electrodes. The voltametric measurements obtained from solutions containing the anions [PW11O39]7- and [SiW11O39]8- are presented. Results pointed to an improvement of the acquired voltametric signal with a slight addition of BmimCl (up to 2.5% w/w), specially in the studies regarding pH variation. Additional synthesis were carried out with both the cations Omim+ and THTP+.

Extraction of added-value products from biomass using ionic liquids

The main purpose of this thesis is to investigate the potential of ionic liquids (ILs) as a new class of extractive solvents for added-value products from biomass. These include phenolic compounds (vanillin, gallic, syringic and vanillic acids), alkaloids (caffeine) and aminoacids (L-tryptophan). The interest on these natural compounds relies on the wide variety of relevant properties shown by those families and further application in the food, cosmetic and pharmaceutical industries. Aiming at developping more benign and effective extraction/purification techniques than those used, a comprehensive study was conducted using aqueous biphasic systems (ABS) composed of ILs and inorganic/organic salts. In addition, ILs were characterized by a polarity scale, using solvatochromic probes, aiming at providing prior indications on the ILs affinity for particular added-value products. Solid-liquid (S-L) extractions from biomass and using aqueous solution of ILs were also investigated. In particular, and applying and experimental factorial design to optimize the operational conditions, caffeine was extracted from guaraná seeds and spent coffee. With both types of extractions it was found that it is possible to recover the high-value compounds and to recycle the IL and salt solutions. Finally, aiming at exploring the recovery of added-value compounds from biomass using a simpler and more suistainable technique, the solubility of gallic acid, vanillin and caffeine was studied in aqueous solutions of several ILs and common salts. With the gathered results it was possible to demonstrate that ILs act as hydrotropes and that water can be used as an adequate antisolvent. This thesis describes the use of ILs towards the development of more effective and sustainable processes.

Post-synthetic modification of metal–organic frameworks

Post-synthetic modification (PSM) of metal-organic frameworks encompassing the chemical transformation of the linker present is a promising new route for engineering optical centres and tuning the light emission properties of materials, both in the visible and in the near infrared (NIR) spectral regions. Here, PSM of isoreticular metal-organic framework-3 (IRMOF-3) with ethyl oxalyl monochloride, ethyl acetoacetate, pentane-2,4-dione, 3-(2- hydroxyphenyl)-3-oxopropanal, 2-chloroacetic acid, glyoxylic acid, methyl vinyl ketone and diethyl (ethoxymethylene)malonate followed by chelation of trivalent lanthanide ions afforded intriguing near infrared (Nd3+) and visible (Eu3+, Tb3+) light emitters. IRMOF-3 was used as a case in point due to both its highly porous crystalline structure and the presence of non-coordinating amino groups on the benzenedicarboxylate (bdc) linker amenable to modification. The materials were characterised by elemental analysis, powder X-ray diffraction, optical, scanning and transmission electron microscopy, Fourier transform infrared spectroscopy, and liquid and solid-state nuclear magnetic resonance. The solid-state luminescence properties of Ln-modified-IRMOF-3 were investigated at room temperature. The presence of the bdc aromatic ring, β– diketonate and oxalate enhanced the Ln3+ sensitization via ligand-to-metal energy transfer (anthena effect). As far as photocalysis is concerned, we have synthesized metal−organic frameworks (Cr-MIL-125-AC, Ag-MIL-125-AC) by a green method (solid–vapors reactions). The resulting functionalized materials show a photocatalytic activity for methylene blue degradation up to 6.52 times larger than that of the commercial photocatalyst hombikat UV-100. These findings open the door for further research for improving the photocatalytic performance of metal-organic frameworks.

Design de compostos oxometálicos e estudo das suas propriedades catalíticas em reações de oxidação

A presente dissertação tem como objetivo principal contribuir para um maior conhecimento e compreensão das propriedades catalíticas de sistemas baseados em metais de transição com estado de oxidação elevado. O trabalho desenvolvido englobou a síntese e a caracterização de novos compostos de molibdénio, tendo como ponto de partida a síntese de cis-dioxocomplexos do tipo MoO2Cl2Ln (n = 1 ou 2, conforme ligandos bidentados ou monodentados, respetivamente) a partir dos precursores MoO2Cl2, MoO3 e Na2MoO4 com ligandos como dimetilformamida (DMF), tris(benzimidazolil)metano (HC(bim)3). Os compostos MoO2Cl2(DMF)2 (Capítulo2) e [MoO2Cl(HC(bim)3]Y (Y = Cl, BF4 e PF6) (Capítulo 3) foram testados como precursores catalíticos na epoxidação de olefinas, em fase heterogénea. O primeiro foi imobilizado no suporte MCM-41 enquanto os últimos foram heterogeneizados com recurso a líquidos iónicos - [BMIM]Y e [BMPy]Y (BIM = 1-n-butil-3-metilimidazólio, BMPy = 1-n-butil-3-metilpiridina; Y = BF4 ou PF6), como estratégia alternativa à heterogeneização dos catalisadores homogéneos. Por outro lado, aprofundou-se também a epoxidação de olefinas em fase homogénea e, para isso, sintetizaram-se os compostos Mo(CO)3(HC(pz)3) (HC(pz)3 = tris(1-pirazoli)metano), Mo(CO)3(HC(3,5-Me2pz)3 (HC(3,5-Me2pz)3 = tris(3,5-dimetil-1-pirazolil)metano) (Capítulo 4) e Mo(CO)4(BPM) (BPM = bis(pirazolil)metano) (Capítulo 5) a partir do material de partida Mo(CO)6. A descarbonilação oxidativa destes compostos, com TBHP, originaram estruturas cristalinas do tipo dioxo--oxo, [{MoO2(HC(pz)3)}2(2-O)][Mo6O19] e [{MoO2(HC(3,5-Me2pz)3)}2(2-O)][Mo6O19], e oxodiperoxo, MoO(O2)2(BPM), respetivamente. Obtiveram-se os mesmos produtos in situ durante as respetivas reações catalíticas. Todos os compostos foram utilizados como catalisadores ou pré-catalisadores na epoxidação de olefinas, com bons resultados. Por fim e, tendo em conta o crescente interesse em materiais híbridos orgânicos-inorgânicos baseados em óxidos de molibdénio, sintetizou-se o composto MoO2Cl2(pypzEA) (pypzEA = etil[(3-piridin-2-il)-1H-pirazol-1-il]acetato) o qual, ao reagir com água, originou o material híbrido [Mo2O6(HpypzA)] (HpypzA = [3-(piridin-2-il)-1H-pirazol-1-il]acetato) (Capítulo 6). A estrutura deste último composto foi resolvida por difração de monocristal e de raio-X de pós, em conjunto com a informação proveniente de técnicas como FT-IR, RMN 13C CP/MAS e análise elementar. Este material híbrido apresenta um bom desempenho catalítico quando o TBHP é usado como oxidante e continua estável e a comportar-se como um catalisador heterogéneo mesmo após sofrer testes de reciclagem e de filtração. Ainda durante este estudo constatou-se que a reação oxidativa do material de partida, MoO2Cl2(pypzEA), com TBHP, originou o oxo(diperoxo)complexo MoO(O2)2(pypzEA) e o complexo octamérico [Mo8O24(pypzEA)4] obtido previamente pela descarbonilação oxidativa do Mo(CO)4(pypzEA). Todos os catalisadores ou precursores de espécies ativas foram analisados por técnicas de caracterização comuns (AE, FT-IR, Raman, ATR, 1H RMN) bem como por técnicas de caracterização do estado sólido (EXAFS, DRX de pós e de cristal único, 13C e 29Si RMN CP MAS). Os compostos com propriedades catalíticas e pré-catalíticas promissoras foram estudados nas reações catalíticas de epoxidação de diversas olefinas, nomeadamente, cis-cicloocteno, 1-octeno, trans-2-octeno, -pineno, (R)-(+)-limoneno, estireno, norborneno, entre outras.

Efeito fotocrômico em Ormosil's dopados com molibdênio preparados por síntese de Sol-Gel

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Nanopartículas de sílica e ácido p-amino benzóico: um estudo de associação para protetores solares

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Correlações entre estrutura e propriedades de condução iônica em materiais híbridos siloxano-poli (propileno óxido), dopados com sais de sódio e potássio

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Matrizes híbridas siloxano-poliéter para liberação controlada de fármacos

Pós-graduação em Química - IQ

Materiais híbridos de sílica/orgânico dopados com rodamina-B: estudo da luminescência e preparação de filmes finos para aplicações em fotônica

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Hybrid materials for biomedical applications

The increased longevity of humans and the demand for a better quality of life have led to a continuous search for new implant materials. Scientific development coupled with a growing multidisciplinarity between materials science and life sciences has given rise to new approaches such as regenerative medicine and tissue engineering. The search for a material with mechanical properties close to those of human bone produced a new family of hybrid materials that take advantage of the synergy between inorganic silica (SiO4) domains, based on sol-gel bioactive glass compositions, and organic polydimethylsiloxane, PDMS ((CH3)2.SiO2)n, domains. Several studies have shown that hybrid materials based on the system PDMS-SiO2 constitute a promising group of biomaterials with several potential applications from bone tissue regeneration to brain tissue recovery, passing by bioactive coatings and drug delivery systems. The objective of the present work was to prepare hybrid materials for biomedical applications based on the PDMS-SiO2 system and to achieve a better understanding of the relationship among the sol-gel processing conditions, the chemical structures, the microstructure and the macroscopic properties. For that, different characterization techniques were used: Fourier transform infrared spectrometry, liquid and solid state nuclear magnetic resonance techniques, X-ray diffraction, small-angle X-ray scattering, smallangle neutron scattering, surface area analysis by Brunauer–Emmett–Teller method, scanning electron microscopy and transmission electron microscopy. Surface roughness and wettability were analyzed by 3D optical profilometry and by contact angle measurements respectively. Bioactivity was evaluated in vitro by immersion of the materials in Kokubos’s simulated body fluid and posterior surface analysis by different techniques as well as supernatant liquid analysis by inductively coupled plasma spectroscopy. Biocompatibility was assessed using MG63 osteoblastic cells. PDMS-SiO2-CaO materials were first prepared using nitrate as a calcium source. To avoid the presence of nitrate residues in the final product due to its potential toxicity, a heat-treatment step (above 400 °C) is required. In order to enhance the thermal stability of the materials subjected to high temperatures titanium was added to the hybrid system, and a material containing calcium, with no traces of nitrate and the preservation of a significant amount of methyl groups was successfully obtained. The difficulty in eliminating all nitrates from bulk PDMS-SiO2-CaO samples obtained by sol-gel synthesis and subsequent heat-treatment created a new goal which was the search for alternative sources of calcium. New calcium sources were evaluated in order to substitute the nitrate and calcium acetate was chosen due to its good solubility in water. Preparation solgel protocols were tested and homogeneous monolithic samples were obtained. Besides their ability to improve the bioactivity, titanium and zirconium influence the structural and microstructural features of the SiO2-TiO2 and SiO2-ZrO2 binary systems, and also of the PDMS-TiO2 and PDMS-ZrO2 systems. Detailed studies with different sol-gel conditions allowed the understanding of the roles of titanium and zirconium as additives in the PDMS-SiO2 system. It was concluded that titanium and zirconium influence the kinetics of the sol-gel process due to their different alkoxide reactivity leading to hybrid xerogels with dissimilar characteristics and morphologies. Titanium isopropoxide, less reactive than zirconium propoxide, was chosen as source of titanium, used as an additive to the system PDMS-SiO2-CaO. Two different sol-gel preparation routes were followed, using the same base composition and calcium acetate as calcium source. Different microstructures with high hydrophobicit were obtained and both proved to be biocompatible after tested with MG63 osteoblastic cells. Finally, the role of strontium (typically known in bioglasses to promote bone formation and reduce bone resorption) was studied in the PDMS-SiO2-CaOTiO2 hybrid system. A biocompatible material, tested with MG63 osteoblastic cells, was obtained with the ability to release strontium within the values reported as suitable for bone tissue regeneration.

Fontes de minerais orgânicos e inorgânicos para leitões desmamados

A presente pesquisa foi realizada com o objetivo de comparar os efeitos de fontes orgânicas e inorgânicas de microminerais sobre o desempenho, os parâmetros sanguíneos e a deposição de minerais em tecidos e órgãos de leitões desmamados. Foram utilizados 54 leitões de genética comercial, desmamados com idade média de 24 dias e peso médio de 7,35±0,88kg, num delineamento experimental de blocos ao acaso, com dois tratamentos, nove repetições e três animais por parcela. Os tratamentos foram representados pelo uso de rações suplementadas com minerais de fontes orgânicas ou inorgânicas (Cu, Zn, Fe, Mn e Se) no período dos 24 aos 57 dias de idade. Foram avaliados o consumo diário de ração, o ganho diário de peso, a conversão alimentar, os parâmetros hematológicos e a deposição de minerais em tecidos e órgãos. As fontes orgânicas de minerais nas rações fornecidas dos 24 aos 57 dias de idade melhoraram o ganho diário de peso (P=0,06) e a conversão alimentar (P=0,05) e aumentaram o número de hemáceas (P=0,10), contudo não influenciaram a deposição de minerais no músculo masseter, fígado, coração, baço e rim. Portanto, o suplemento de minerais de fontes orgânicas foi mais eficiente para o desempenho dos leitões na fase de creche.

Avaliação de contaminantes inorgânicos e orgânicos em álcool combustível utilizando eletroforese capilar

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Desenvolvimento corporal de novilhas leiteiras suplementadas com minerais inorgânicos e orgânicos em pastejo na época das águas

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)