Modular alpha-helical mimetics with antiviral activity against respiratory syncitial virus

A 13-residue peptide sequence from a respiratory syncitial virus fusion protein was constrained in an alpha-helical conformation by fusing two back-to-back cyclic alpha-turn mimetics. The resulting peptide, Ac-(3 -> 7; 8 -> 12)-bicyclo-FP[KDEFD][KSIRD]V-NH2, was highly alpha-helical in water by CD and NMR spectroscopy, correctly positioning crucial binding residues (F488, I491, V493) on one face of the helix and side chain-side chain linkers on a noninteracting face of the helix. This compound displayed potent activity in both a recombinant fusion assay and an RSV antiviral assay (IC50 = 36 nM) and demonstrates for the first time that back-to-back modular alpha-helix mimetics can produce functional antagonists of important protein-protein interactions.

Alpha-selenoconotoxins, a new class of potent alpha(7) neuronal nicotinic receptor antagonists

Disulfide bonds are important structural motifs that play an essential role in maintaining the conformational stability of many bioactive peptides. Of particular importance are the conotoxins, which selectively target a wide range of ion channels that are implicated in numerous disease states. Despite the enormous potential of conotoxins as therapeutics, their multiple disulfide bond frameworks are inherently unstable under reducing conditions. Reduction or scrambling by thiol-containing molecules such as glutathione or serum albumin in intracellular or extracellular environments such as blood plasma can decrease their effectiveness as drugs. To address this issue, we describe a new class of selenoconotoxins where cysteine residues are replaced by selenocysteine to form isosteric and non-reducible diselenide bonds. Three isoforms of alpha-conotoxin ImI were synthesized by t-butoxycarbonyl chemistry with systematic replacement of one([ Sec(2,8)] ImI or [Sec(3,12)] ImI), or both([Sec(2,3,8,12)] ImI) disulfide bonds with a diselenide bond. Each analogue demonstrated remarkable stability to reduction or scrambling under a range of chemical and biological reducing conditions. Three-dimensional structural characterization by NMR and CD spectroscopy indicates conformational preferences that are very similar to those of native ImI, suggesting fully isomorphic structures. Additionally, full bioactivity was retained at the alpha(7) nicotinic acetylcholine receptor, with each seleno-analogue exhibiting a dose-response curve that overlaps with wild-type ImI, thus further supporting an isomorphic structure. These results demonstrate that selenoconotoxins can be used as highly stable scaffolds for the design of new drugs.

Exceptional overproduction of a functional human membrane protein

Eukaryotic-especially human-membrane protein overproduction remains a major challenge in biochemistry. Heterologously overproduced and purified proteins provide a starting point for further biochemical, biophysical and structural studies, and the lack of sufficient quantities of functional membrane proteins is frequently a bottleneck hindering this. Here, we report exceptionally high production levels of a correctly folded and crystallisable recombinant human integral membrane protein in its active form; human aquaporin 1 (hAQP1) has been heterologously produced in the membranes of the methylotrophic yeast Pichia pastoris. After solubilisation and a two step purification procedure, at least 90 mg hAQP1 per liter of culture is obtained. Water channel activity of this purified hAQP1 was verified by reconstitution into proteoliposomes and performing stopped-flow vesicle shrinkage measurements. Mass spectrometry confirmed the identity of hAQP1 in crude membrane preparations, and also from purified protein reconstituted into proteoliposomes. Furthermore, crystallisation screens yielded diffraction quality crystals of untagged recombinant hAQP1. This study illustrates the power of the yeast P. pastoris as a host to produce exceptionally high yields of a functionally active, human integral membrane protein for subsequent functional and structural characterization. © 2007 Elsevier Inc. All rights reserved.

Improved yields of full-length functional human FGF1 can be achieved using the methylotrophic yeast Pichia pastoris

We have produced human fibroblast growth factor 1 (hFGF1) in the methylotrophic yeast Pichia pastoris in order to obtain the large amounts of active protein required for subsequent functional and structural characterization. Four constructs were made to examine both intracellular and secreted expression, with variations in the location of the His6 tag at either end of the peptide. hFGF1 could be produced from all four constructs in shake flasks, but production was optimized by growing only the highest-yielding of these strains, which produced hFGF1 intracellularly, under tightly controlled conditions in a 3 L fermentor. One hundred and eight milligrams of pure protein was achieved per liter culture (corresponding to 0.68 mg of protein per gram of wet cells), the function of which was verified using NIH 3T3 cell cultures. This is a 30-fold improvement over previously reported yields of full-length hFGF1. © 2006 Elsevier Inc. All rights reserved.

Carbon nanotube based systems for high energy efficient applications

In the current age of fast-depleting conventional energy sources, top priority is given to exploring non-conventional energy sources, designing highly efficient energy storage systems and converting existing machines/instruments/devices into energy-efficient ones. ‘Energy efficiency’ is one of the important challenges for today’s scientific and research community, worldwide. In line with this demand, the current research was focused on developing two highly energy-efficient devices – field emitters and Li-ion batteries, using beneficial properties of carbon nanotubes (CNT). Interface-engineered, directly grown CNTs were used as cathode in field emitters, while similar structure was applied as anode in Li-ion batteries. Interface engineering was found to offer minimum resistance to electron flow and strong bonding with the substrate. Both field emitters and Li-ion battery anodes were benefitted from these advantages, demonstrating high energy efficiency. Field emitter, developed during this research, could be characterized by low turn-on field, high emission current, very high field enhancement factor and extremely good stability during long-run. Further, application of 3-dimensional design to these field emitters resulted in achieving one of the highest emission current densities reported so far. The 3-D field emitter registered 27 times increase in current density, as compared to their 2-D counterparts. These achievements were further followed by adding new functionalities, transparency and flexibility, to field emitters, keeping in view of current demand for flexible displays. A CNT-graphene hybrid structure showed appreciable emission, along with very good transparency and flexibility. Li-ion battery anodes, prepared using the interface-engineered CNTs, have offered 140% increment in capacity, as compared to conventional graphite anodes. Further, it has shown very good rate capability and an exceptional ‘zero capacity degradation’ during long cycle operation. Enhanced safety and charge transfer mechanism of this novel anode structure could be explained from structural characterization. In an attempt to progress further, CNTs were coated with ultrathin alumina by atomic layer deposition technique. These alumina-coated CNT anodes offered much higher capacity and an exceptional rate capability, with very low capacity degradation in higher current densities. These highly energy efficient CNT based anodes are expected to enhance capacities of future Li-ion batteries.

Mechanisms of chloroperoxidase-catalyzed enantioselective reactions as probed by site-directed mutagenesis and isotopic labeling

Chloroperoxidase (CPO) is a heme-containing glycoprotein secreted by the marine fungus Caldariomyces fumago. Chloroperoxidase contains one ferriprotoporphyrin IX prosthetic group per molecule and catalyzes a variety of reactions, such as halogenation, peroxidation and epoxidation. The versatile catalytic activities of CPO coupled with the increasing demands for chiral synthesis have attracted an escalating interest in understanding the mechanistic and structural properties of this enzyme. In order to better understand the mechanisms of CPO-catalyzed enantioselective reactions and to fine-tune the catalytic properties of chloroperoxidase, asparagine 74 (N74) located in the narrow substrate access channel of CPO was replaced by a bulky, nonpolar valine and a polar glutamine using site-directed mutagenesis. The CPO N74 mutants displayed significantly enhanced activity toward nonpolar substrates compared to wild-type CPO as a result of changes in space and polarity of the heme distal environment. More interestingly, N74 mutants showed dramatically decreased chlorination and catalase activity but significantly enhanced epoxidation activity as a consequence of improved kinetic perfection introduced by the mutation as reflected by the favorable changes in k cat and kcat/KM of these reactions. It is also noted that the N74V mutant is capable of decomposing cyanide, the most notorious poison for many hemoproteins, as judged by the unique binding behavior of N74V with potassium cyanide. Histidine 105 (H105) was replaced by a nonpolar amino acid alanine using site-directed mutagenesis. The CPO H105 mutant (H105A) displayed dramatically decreased chlorination and catalase activity possibly because of the decreased polarity in the heme distal environment and loss of the hydrogen bonds between histidine 105 and glutamic acid 183. However, significantly increased enantioselectivity was observed for the epoxidation of bulky styrene derivatives. Furthermore, my study provides strong evidence for the proposed histidine/cysteine ligand switch in chloroperoxidase, providing experimental support for the structure of the 420-nm absorption maximum for a number of carbon monoxide complexes of heme-thiolate proteins. For the NMR study, [dCPO(heme)] was produced using 90% deuterated growth medium with excess heme precursors and [dCPO(Phe)] was grown in the same highly deuterated medium that had been supplemented with excess natural phenylalanine. To make complete heme proton assignments, NMR spectroscopy has been performed for high-resolution structural characterization of [dCPO(heme)] and [dCPO(Phe)] to achieve unambiguous and complete heme proton assignments, which also allows important amino acids close to the heme active center to be determined.

Using Helix-coil Models to Study Protein Unfolded States

An abstract of a thesis devoted to using helix-coil models to study unfolded states.\\

Research on polypeptide unfolded states has received much more attention in the last decade or so than it has in the past. Unfolded states are thought to be implicated in various

misfolding diseases and likely play crucial roles in protein folding equilibria and folding rates. Structural characterization of unfolded states has proven to be

much more difficult than the now well established practice of determining the structures of folded proteins. This is largely because many core assumptions underlying

folded structure determination methods are invalid for unfolded states. This has led to a dearth of knowledge concerning the nature of unfolded state conformational

distributions. While many aspects of unfolded state structure are not well known, there does exist a significant body of work stretching back half a century that

has been focused on structural characterization of marginally stable polypeptide systems. This body of work represents an extensive collection of experimental

data and biophysical models associated with describing helix-coil equilibria in polypeptide systems. Much of the work on unfolded states in the last decade has not been devoted

specifically to the improvement of our understanding of helix-coil equilibria, which arguably is the most well characterized of the various conformational equilibria

that likely contribute to unfolded state conformational distributions. This thesis seeks to provide a deeper investigation of helix-coil equilibria using modern

statistical data analysis and biophysical modeling techniques. The studies contained within seek to provide deeper insights and new perspectives on what we presumably

know very well about protein unfolded states. \\

Chapter 1 gives an overview of recent and historical work on studying protein unfolded states. The study of helix-coil equilibria is placed in the context

of the general field of unfolded state research and the basics of helix-coil models are introduced.\\

Chapter 2 introduces the newest incarnation of a sophisticated helix-coil model. State of the art modern statistical techniques are employed to estimate the energies

of various physical interactions that serve to influence helix-coil equilibria. A new Bayesian model selection approach is utilized to test many long-standing

hypotheses concerning the physical nature of the helix-coil transition. Some assumptions made in previous models are shown to be invalid and the new model

exhibits greatly improved predictive performance relative to its predecessor. \\

Chapter 3 introduces a new statistical model that can be used to interpret amide exchange measurements. As amide exchange can serve as a probe for residue-specific

properties of helix-coil ensembles, the new model provides a novel and robust method to use these types of measurements to characterize helix-coil ensembles experimentally

and test the position-specific predictions of helix-coil models. The statistical model is shown to perform exceedingly better than the most commonly used

method for interpreting amide exchange data. The estimates of the model obtained from amide exchange measurements on an example helical peptide

also show a remarkable consistency with the predictions of the helix-coil model. \\

Chapter 4 involves a study of helix-coil ensembles through the enumeration of helix-coil configurations. Aside from providing new insights into helix-coil ensembles,

this chapter also introduces a new method by which helix-coil models can be extended to calculate new types of observables. Future work on this approach could potentially

allow helix-coil models to move into use domains that were previously inaccessible and reserved for other types of unfolded state models that were introduced in chapter 1.

Identifying the Structure and Fate of Wastewater Derived Organic Micropollutants by High-resolution Mass Spectrometry

Human activities represent a significant burden on the global water cycle, with large and increasing demands placed on limited water resources by manufacturing, energy production and domestic water use. In addition to changing the quantity of available water resources, human activities lead to changes in water quality by introducing a large and often poorly-characterized array of chemical pollutants, which may negatively impact biodiversity in aquatic ecosystems, leading to impairment of valuable ecosystem functions and services. Domestic and industrial wastewaters represent a significant source of pollution to the aquatic environment due to inadequate or incomplete removal of chemicals introduced into waters by human activities. Currently, incomplete chemical characterization of treated wastewaters limits comprehensive risk assessment of this ubiquitous impact to water. In particular, a significant fraction of the organic chemical composition of treated industrial and domestic wastewaters remains uncharacterized at the molecular level. Efforts aimed at reducing the impacts of water pollution on aquatic ecosystems critically require knowledge of the composition of wastewaters to develop interventions capable of protecting our precious natural water resources.

The goal of this dissertation was to develop a robust, extensible and high-throughput framework for the comprehensive characterization of organic micropollutants in wastewaters by high-resolution accurate-mass mass spectrometry. High-resolution mass spectrometry provides the most powerful analytical technique available for assessing the occurrence and fate of organic pollutants in the water cycle. However, significant limitations in data processing, analysis and interpretation have limited this technique in achieving comprehensive characterization of organic pollutants occurring in natural and built environments. My work aimed to address these challenges by development of automated workflows for the structural characterization of organic pollutants in wastewater and wastewater impacted environments by high-resolution mass spectrometry, and to apply these methods in combination with novel data handling routines to conduct detailed fate studies of wastewater-derived organic micropollutants in the aquatic environment.

In Chapter 2, chemoinformatic tools were implemented along with novel non-targeted mass spectrometric analytical methods to characterize, map, and explore an environmentally-relevant “chemical space” in municipal wastewater. This was accomplished by characterizing the molecular composition of known wastewater-derived organic pollutants and substances that are prioritized as potential wastewater contaminants, using these databases to evaluate the pollutant-likeness of structures postulated for unknown organic compounds that I detected in wastewater extracts using high-resolution mass spectrometry approaches. Results showed that application of multiple computational mass spectrometric tools to structural elucidation of unknown organic pollutants arising in wastewaters improved the efficiency and veracity of screening approaches based on high-resolution mass spectrometry. Furthermore, structural similarity searching was essential for prioritizing substances sharing structural features with known organic pollutants or industrial and consumer chemicals that could enter the environment through use or disposal.

I then applied this comprehensive methodological and computational non-targeted analysis workflow to micropollutant fate analysis in domestic wastewaters (Chapter 3), surface waters impacted by water reuse activities (Chapter 4) and effluents of wastewater treatment facilities receiving wastewater from oil and gas extraction activities (Chapter 5). In Chapter 3, I showed that application of chemometric tools aided in the prioritization of non-targeted compounds arising at various stages of conventional wastewater treatment by partitioning high dimensional data into rational chemical categories based on knowledge of organic chemical fate processes, resulting in the classification of organic micropollutants based on their occurrence and/or removal during treatment. Similarly, in Chapter 4, high-resolution sampling and broad-spectrum targeted and non-targeted chemical analysis were applied to assess the occurrence and fate of organic micropollutants in a water reuse application, wherein reclaimed wastewater was applied for irrigation of turf grass. Results showed that organic micropollutant composition of surface waters receiving runoff from wastewater irrigated areas appeared to be minimally impacted by wastewater-derived organic micropollutants. Finally, Chapter 5 presents results of the comprehensive organic chemical composition of oil and gas wastewaters treated for surface water discharge. Concurrent analysis of effluent samples by complementary, broad-spectrum analytical techniques, revealed that low-levels of hydrophobic organic contaminants, but elevated concentrations of polymeric surfactants, which may effect the fate and analysis of contaminants of concern in oil and gas wastewaters.

Taken together, my work represents significant progress in the characterization of polar organic chemical pollutants associated with wastewater-impacted environments by high-resolution mass spectrometry. Application of these comprehensive methods to examine micropollutant fate processes in wastewater treatment systems, water reuse environments, and water applications in oil/gas exploration yielded new insights into the factors that influence transport, transformation, and persistence of organic micropollutants in these systems across an unprecedented breadth of chemical space.

El color en los códices prehispánicos del México Central: identificación material, cualidad plástica y valor estético

Este artículo investiga algunos de los valores plásticos y estéticos que presidieron la selección y la preparación de las materias colorantes empleadas para iluminar los códices creados por los nahuas del México Central durante el Posclásico Tardío. Estos códices son interesantes porque análisis arqueométricos y exámenes codicológicos recientes han permitido conocer la materialidad de su capa pictórica, así como las características formales y el comportamiento de los colores en estas obras. Uno de los aportes trascendentales de estos estudios ha sido averiguar que la paleta cromática que sirvió para pintar los códices del México Central era principalmente de origen orgánico, lo que contrasta con la naturaleza de los pigmentos detectados en restos de pintura mural y en esculturas creadas por los nahuas que son sobre todo minerales. El objetivo de este artículo es reflexionar sobre las razones de esas diferencias y demostrar que el uso de los colorantes orgánicos en los códices respondía a un fin plástico específico que concordaba con el canon estético imperante en la sociedad náhuatl.

Preparação e caracterização de fibras e nanotubos de BiFeO3 e FeNbO4

Esta dissertação teve como objetivo a produção e caracterização física de fibras e nanotubos de BiFeO3 e FeNbO4. Para o desenvolvimento destes materiais utilizou-se a técnica de fusão com laser (LFZ), o método sol-gel (Pechini) e o método de poros absorventes. As amostras obtidas foram sujeitas a uma caracterização estrutural por difração de raios-X e espetroscopia de Raman, morfológica por microscopia electrónica de varrimento e elétrica por medidas de constante dielétrica. Os resultados obtidos com a técnica de difração de raios-X mostraram que o gel com tratamento a 750 ºC é polifásico. Para conseguir produzir nanotubos escolheu-se o LaCoO3 como material alternativo. Usando a técnica de fusão de zona com laser (LFZ) obtiveram-se fibras de BiFeO3, FeNbO4 e compósitos de BiFeO3+FeNbO4. Com esta técnica foram crescidas fibras a várias velocidades (5, 10, 25, 50, 100 e 200 mm/h), tendo os resultados obtidos com a difração de raios-X evidenciado que todas as amostras obtidas são polifásicas, sendo a amostra de 10 mm/h para o BiFeO3 e a de 5 mm/h para o FeNbO4 as que apresentam melhores propriedades. As amostras de 5 mm/h de todos os compósitos são aquelas que possuem menor quantidade de segundas fases e portanto foram alvo de estudo mais aprofundado. A caracterização dielétrica permitiu verificar que todas as amostras apresentam fenómenos de relaxação dielétrica. Verifica-se também que para o BiFeO3 a constante dielétrica é superior na amostra crescida à velocidade de 10 mm/h, para o FeNbO4 é superior na amostra crescida a 5 mm/h e nos compósitos a amostra com 75% de BiFeO3 e 25% de FeNbO4 apresenta um comportamento diferente das restantes, eventualmente devido à sua microestrutura singular.

Compósitos de polímero-cerâmica para condensadores incorporados

A necessidade de produção de dispositivos eletrónicos mais eficientes e a sua miniaturização tem sido um dos principais desígnios da indústria eletrónica. Assim surgiu a necessidade de melhorar o desempenho das designadas placas de circuito impresso, tornando-as simultaneamente mais flexíveis, com menos ruído, mais estáveis face a variações bruscas de temperatura e que permitam operar numa vasta gama de frequências e potências. Para tal, uma das estratégias que tem vindo a ser estudada é a possibilidade de incorporar os componentes passivos, nomeadamente condensadores, sob a forma de filme diretamente no interior da placa. Por forma a manter uma elevada constante dielétrica e baixas perdas, mantendo a flexibilidade, associada ao polímero, têm sido desenvolvidos os designados compósitos de matriz polimérica. Nesta dissertação procedeu-se ao estudo do comportamento dielétrico e elétrico da mistura do cerâmico CaCu3Ti4O12 com o copolímero estireno-isoprenoestireno. Foram preparados filmes com diferentes concentrações de CCTO, recorrendo ao método de arrastamento, em conjunto com o Centro de Polímeros da Eslováquia. Foram também preparados filmes por spin-coating para as mesmas concentrações. Usaram-se dois métodos distintos para a preparação do pó de CCTO, reação de estado sólido e sol-gel. Foi realizada a caraterização estrutural (difração de raios-X. espetroscopia de Raman), morfológica (microscopia eletrónica de varrimento) e dielétrica aos filmes produzidos. Na caracterização dielétrica determinou-se o valor da constante dielétrica e das perdas para todos os filmes, à temperatura ambiente, bem como na gama de temperatura entre os 200 K e os 400 K, o que permitiu identificar existência de relaxações vítreas e subvítreas, e assim calcular as temperaturas de transição vítrea e energias de ativação, respetivamente. Foram realizados testes de adesão e aplicada a técnica de análise mecânica dinâmica para o cálculo das temperaturas de transição vítrea nos filmes preparados pelo método de arrastamento. Estudou-se ainda qual a lei de mistura que melhor se ajusta ao comportamento dielétrico do nosso compósito. Verificou-se que é a lei de Looyenga generalizada a que melhor se ajusta à resposta dielétrica dos compósitos produzidos.

Síntese de sensores, funcionalização de nanopartículas e fibras óticas para reconhecimento de aniões

O trabalho descrito nesta dissertação envolve a síntese e caracterização de novos macrociclos tetrapirrólicos e afins com potencial aplicação como quimiossensores de aniões, tanto em solução como quando suportados em diferentes materiais. As porfirinas e ftalocianinas ocupam um lugar de destaque nesta dissertação, pelo que no primeiro capítulo, é feita uma revisão bibliográfica acerca das suas metodologias de síntese bem como das suas principais características e aplicações, nomeadamente como quimiossensores de aniões. No segundo capítulo é discutida a síntese e caracterização dos compostos porfirínicos e ftalocianinicos com grupos amina ou poliamina, posteriormente utilizados como hospedeiros de aniões. Descrevem-se, pormenorizadamente, os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados. No terceiro capítulo realizaram-se os estudos de complexação com aniões em solução e determinaram-se as respetivas constantes de afinidade. Os compostos sintetizados apresentam capacidade de interagir com diferentes aniões. As porfirinas testadas apresentam elevadas constantes de afinidade para o anião di-hidrogenofosfato, mesmo em soluções aquosas quando testadas com cristais piezoelétricos. No caso das ftalocianinas verificou-se que estas interagem com vários aniões e apresentam propriedades cromogénicas, podendo mesmo distinguir aniões cianeto em soluções contendo água. No quarto capítulo estudou-se a imobilização dos quimiossensores, que demonstraram maior eficácia nos estudos de reconhecimento em solução, em diferentes materiais. Primeiro foi estudada a imobilização dos quimiossensores em nanopartículas de sílica (com e sem núcleo magnético) e testada a sua capacidade como sensor de aniões em solução. Numa segunda parte foi estudada a imobilização em fibras óticas. Estas, além das suas excecionais propriedades físico-químicas, têm a vantagem de poderem ser integradas em diferentes estruturas e/ou equipamentos de análise. Na ultima parte desta dissertação encontra-se a descrição da síntese e caracterização de novos conjugados porfirina-C60-OligoDNA com potencial aplicação em transferência eletrónica. Foram sintetizados e caracterizados novos compostos porfirina-OligoDNA e C60-OligoDNA. Esta parte do trabalho foi realizada no “Institute of Advanced Energy” na Universidade de Quioto, Japão.

Síntese de compostos multiporfirínicos covalentes

Nesta tese descreve-se a síntese de compostos multiporfirínicos covalentes bem como a avaliação da potencial utilização destes compostos como quimiossensores de iões metálicos e para a construção de estruturas supramoleculares com fulerenos. No capítulo 1 desta tese é feita uma introdução à química, propriedades e aplicações das porfirinas e sistemas multiporfirínicos. Relativamente aos sistemas multiporfirínicos é feita uma revisão bibliográfica acerca das estratégias de síntese e abordagem geral à química supramolecular de sistemas porfirina-fulereno. No capítulo 2 são apresentados os resultados referentes à síntese e caracterização dos vários sistemas multiporfirínicos desenvolvidos neste trabalho. De um modo geral, a síntese desses compostos envolveu reações de substituição aromática nucleofílica. Para esse efeito foi necessário preparar porfirinas de partida contendo grupos nucleofílicos nas posições meso (-C6H4OH e -C6H4NH2). Os sistemas multiporfirínicos foram obtidos por reações entre as porfirinas de partida e hexafluorobenzeno ou 5,10,15,20tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. Descreve-se também a síntese de uma díade porfirina-C60 e de uma pentíade contendo quatro unidades de porfirina e uma de C60, envolvendo reações de cicloadição 1,3-dipolar e de substituição aromática nucleofílica. Os estudos efetuados ao nível da aplicação de alguns dos novos sistemas multiporfirínicos sintetizados e de um dos seus precursores, a 5-[4(pentafluorofeniloxi)fenil]-10,15,20-trifenilporfirina, como sensores de iões metálicos encontram-se descritos no capítulo 3. Neste capítulo, a título introdutório, é feita uma breve abordagem aos quimiossensores colorimétricos e de fluorescência, apresentando também alguns exemplos de porfirinas como quimiossensores de iões metálicos já descritos na literatura científica. A caracterização fotofísica dos compostos em estudo também é descrita neste capítulo. Os compostos estudados mostraram capacidade de interagir com vários iões metálicos, verificando-se um aumento da seletividade para o ião Hg2+ com o aumento do número de unidades porfirínicas constituintes dos sistemas multiporfirínicos. Os resultados referentes aos estudos de complexação de alguns dos sistemas multiporfirínicos sintetizados com fulerenos encontram-se descritos no capítulo 4. Neste capítulo descreve-se também a caracterização fotofísica dos compostos em estudo. Os estudos realizados com os sistemas multiporfirínicos mostraram uma fraca interação com os fulerenos C60 e C70. No entanto, os valores das constantes de afinidade obtidos com 1-metil-2-(4piridil)[60]fulero[c]pirrolidina mostraram que os sistemas multiporfirínicos apresentam capacidade para formar complexos com este derivado de C60 por coordenação axial e por interações π-π. No capítulo 5 é discutido o trabalho que envolveu o desenvolvimento de novos métodos na síntese de derivados tetrapirrólicos do tipo pirrolo[3,4-b]porfirinas contendo um grupo NH livre no anel exocíclico. A estratégia de síntese requereu a preparação de uma clorina fundida com um anel pirrolina seguida da redução do anel pirrolina. Deste modo obteve-se uma nova clorina fundida com um anel pirrolidina contendo um grupo NH livre. Esta nova clorina foi usada na preparação de uma díade clorina-porfirina por reação de N-arilação com 5,10,15,20-tetraquis(pentafluorofenil)porfirina. A estrutura cristalina da nova díade foi resolvida por difração de raios-X de cristal único. A estrutura dos compostos sintetizados foi estabelecida recorrendo a diversas técnicas espectroscópicas nomeadamente ressonância magnética nuclear (RMN de 1H, 13C e 19F), espectrometria de massa e espectrofotometria de UVvis. No último capítulo desta tese descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efetuadas, incluindo os métodos de síntese, purificação e caracterização estrutural dos diversos compostos sintetizados bem como as medições espectrofotométricas e espectrofluorimétricas.

(E)-2-[2-(2-Aminofenil)vinil]-1-metilquinolin-4(1H)-ona como precursor de novos compostos heterociclicos

Esta dissertação reporta a síntese de novos derivados de 4-quinolonas com potencial atividade biológica e está dividida em 3 capítulos. No primeiro capítulo é feita uma breve introdução aos compostos do tipo 4quinolona, azepina e indol, focando a nomenclatura, atividade biológica e métodos de síntese mais comuns deste tipo de compostos, e é apresentada a nomenclatura dos compostos sintetizados ao longo deste trabalho. No segundo capítulo são descritas as metodologias desenvolvidas para obtenção dos compostos pretendidos. Foram sintetizados novos derivados de 4-quinolonas via reações de N-metilação seguida de ciclização in situ da (E)-N(2-acetilfenil)-3-(2-nitrofenil)acrilamida, via reações de redução da 1-metil-2-[2(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona e reações de halogenação da 1-metil-2-[2(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona e da 2-[2-(2-aminofenil)vinil]-1metilquinolin-4(1H)-ona. Posteriormente, fizeram-se estudos de reatividade da 1-metil-2-[2-(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona e da 2-[2-(2-aminofenil)vinil]-3bromo-1-metilquinolin-4(1H)-ona. Na reação de redução in situ seguida de ciclização intramolecular da 1-metil-2-[2-(2-nitrofenil)vinil]quinolin-4(1H)-ona obteve-se a 2-(1H-indol-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-ona. Partindo da 2-[2-(2aminofenil)vinil]-3-bromo-1-metilquinolin-4(1H)-ona via reações de BuchwaldHartwig obteve-se a 11-metil-5H-benzo[6,7]azepino[3,2-b]quinolin-6(11H)-ona. Novas N-[2-(2-(3-bromo-1-metil-4-oxo-1,4-di-hidroquinolin-2il)vinil)fenil]alquilamidas foram obtidas via reações de acilação da 2-[2-(2aminofenil)vinil]-3-bromo-1-metilquinolin-4(1H)-ona em piridina seca usando diferentes cloretos de acilo. Numa tentativa de ciclização intramolecular da N[2-(2-(3-bromo-1-metil-4-oxo-1,4-di-hidroquinolin-2-il)vinil)fenil]-hexanamida via reação de Ullmann intramolecular foi obtida a 2-(1-hexanoil-1H-indol-2-il)-1metilquinolin-4(1H)-ona. Após a descrição detalhada das metodologias de síntese são apresentadas as principais conclusões deste trabalho e perspectivas futuras. Por último, no terceiro capítulo, são apresentados os procedimentos experimentais usados para obtenção dos compostos sintetizados e os dados relativos à sua caracterização estrutural, que foi sendo discutida ao longo do segundo capítulo. Os compostos sintetizados foram caracterizados por espetroscopia de ressonância magnética nuclear monodimensional (1H e 13C) e bidimensional (HSQC, HMBC) e por espetrometria de massa e sempre que possível por espetrometria de massa de alta resolução.

Utilização de quitosana obtida de resíduos de camarão para avaliar a capacidade de adsorção de íons Fe3+

A quitosana é produzida através de uma desacetilação alcalina da quitina, a qual é encontrada em exoesqueleto de crustáceos, parede celular de fungos e materiais biológicos. Calcula-se que os resíduos de camarão apresentam de 5 a 7% do seu peso total na forma de quitina, sugerindo que estes sejam utilizados para obtenção do biopolímero. Os processos para obtenção destes biopolímeros consiste nas seguintes etapas: desmineralização, desproteinização e desodorização, obtendo-se assim, a quitina úmida. Após seca, passa por uma desacetilação química para a conversão em quitosana úmida, sendo purificada e posteriormente seca. A quitosana, por apresentar grupamentos amino livres em sua estrutura, é uma molécula capaz de formar complexos estáveis com cátions metálicos. O objetivo geral deste trabalho foi obter quitina a partir de resíduos de camarão (Penaeus brasiliensis) com posterior produção de quitosana, e avaliar sua capacidade de complexação com íons Fe3+, em solução. A quitosana produzida foi caracterizada através do grau de desacetiliação e da massa molecular viscosimétrica, Para caracterização estrutural das amostras de quitosana, utilizaram-se espectrometria de infravermelho e espectrofotometria UV-Visível, bem como para o complexo formado de quitosana e ferro. Para analisar a eficiência da remoção deste íon, foram feitas análises em espectrometria de absorção atômica em chama e em espectrofotometria UV-Visível. Uma análise estatística foi realizada para avaliar a percentagem de remoção do íon ferro das soluções, sendo utilizado um planejamento fatorial em dois níveis, tendo como variáveis independentes o pH do meio, a quantidade de quitosana adicionada, a granulometria da mesma e o tempo de reação. A quitosana apresentou grau de desacetilação de 87±2% e massa molecular viscosimétrica de 196±4kDa, sendo esses valores, comparáveis à quitosana disponível comercialmente. Na melhor região de trabalho definida pela análise estatística, obteve-se uma remoção máxima de 85 % do íon ferro das soluções.