Mixtures of azepanium based ionic liquids and propylene carbonate as high voltage electrolytes for supercapacitors

This work provides a study of mixtures of the azepanium-based ionic liquid (IL) N-methyl, N-butyl-azepanium bis[(trifluoromethane) sulfonyl]imide (Azp₁₄TFSI) and propylene carbonate (PC) as electrolyte components in electrochemical double layer capacitors (EDLCs). The considered mixtures' properties were then compared to the properties of mixtures of N-butyl, N-methylpyrrolidinium bis[(trifluoromethane) sulfonyl]imide (Pyr₁₄TFSI) and PC in terms of viscosity, conductivity and electrochemical behavior. The mixtures' operative potentials were found to be comparable to each other, leading to operative voltages as high as 3.5 V, while retaining the low viscosities and high conductivities of PC based EDLC electrolytes.

Acoustic and Volumetric Properties of Diluted Solutions of Water in Ionic Liquids

Herein, we report the densities and speeds of sound in binary mixtures of three hydrophobic and one hydrophilic ionic liquids: 1-butyl-3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide, [C4mim][NTf2], 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide, [C4mpyr][NTf2], 1-propyl-3-methylimidazolium bis[(trifluoromethyl)sulfonyl]imide, [C3mim][NTf2] and 1-ethyl-3-methylimidazolium thiocyanate, [C2mim][SCN], with water at 298.15 K and 0.1 MPa. The concentration range of water, which encompassed relatively small values well below the saturation point, is often regarded as an impurity for hydrophobic ionic liquids. On the basis of experimental results the molar volume, adiabatic molar compressibility, partial molar volume and apparent molar volume, as well as, partial molar and apparent molar isentropic compressibility properties were then calculated. Interesting results are obtained using the solutions based on the hydrophilic [C2mim][SCN], since these mixtures are characterized by relatively low density and high values of speed of sound. Furthermore, the partial molar volumes and partial molar adiabatic compressibilities of water in solution with [C2mim][SCN] are the lowest among the investigated in mixtures with ionic liquids. However, in the case of the hydrophobic ionic liquid solutions, only small differences are observed for molar adiabatic compressibilities with the change of the cation structure, i.e. for water + [C4mim][NTf2] or + [C4mpyr][NTf2]. A more pronounced difference has been observed for the partial molar compressibility of water in solutions with these two ionic liquids.

Aza-annulation of enaminones with itaconic anhydride:kinetic preference for exocyclic enamide products

Enaminones react with itaconic anhydride in methylene chloride at room temperature to give exocyclic enamides sis the major products. These can be readily equilibrated to the thermodynamically more stable endocyclic enamides. In substrates where the exocyclic isomer could not be formed only intractable materials were produced from this reaction. An intermediate in this two step process was detected and identified by proton and C-13 NMR spectroscopy. In two cases chiral enaminones were employed and the relative stereochemistry at the new chiral centre in the product was established by a crystal structure of compound 27.

3-Methylpiperidinium ionic liquids

A wide range of room temperature ionic liquids based on the 3-methylpiperdinium cation core were produced from 3-methylpiperidine, which is a derivative of DYTEK® A amine. First, reaction with 1-bromoalkanes or 1-bromoalkoxyalkanes generated the corresponding tertiary amines (Rmβpip, R = alkyl or alkoxyalkyl); further quaternisation reactions with the appropriate methylating agents yielded the quaternary [Rmmβpip]X salts (X(-) = I(-), [CF3CO2](-) or [OTf](-); Tf = -SO2CF3), and [Rmmβpip][NTf2] were prepared by anion metathesis from the corresponding iodides. All [NTf2](-) salts are liquids at room temperature. [Rmmβpip]X (X(-) = I(-), [CF3CO2](-) or [OTf](-)) are low-melting solids when R = alkyl, but room temperature liquids upon introduction of ether functionalities on R. Neither of the 3-methylpiperdinium ionic liquids showed any signs of crystallisation, even well below 0 °C. Some related non-C-substituted piperidinium and pyrrolidinium analogues were prepared and studied for comparison. Crystal structures of 1-hexyl-1,3-dimethylpiperidinium tetraphenylborate, 1-butyl-3-methylpiperidinium bromide, 1-(2-methoxyethyl)-1-methylpiperidinium chloride and 1-(2-methoxyethyl)-1-methylpyrrolidinium bromide are reported. Extensive structural and physical data are collected and compared to literature data, with special emphasis on the systematic study of the cation ring size and/or asymmetry effects on density, viscosity and ionic conductivity, allowing general trends to be outlined. Cyclic voltammetry shows that 3-methylpiperidinium ionic liquids, similarly to azepanium, piperidinium or pyrrolidinium counterparts, are extremely electrochemically stable; the portfolio of useful alternatives for safe and high-performing electrolytes is thus greatly extended.

On the antioxidant properties of erythropoietin and its association with the oxidative-nitrosative stress response to hypoxia in humans

Aim: The aim of this study was to examine if erythropoietin (EPO) has the potential to act as a biological antioxidant and determine the underlying mechanisms.

Methods: The rate at which its recombinant form (rHuEPO) reacts with hydroxyl (HO center dot), 2,2-diphenyl-1-picrylhydrazyl (DPPH center dot) and peroxyl (ROO center dot) radicals was evaluated in-vitro. The relationship between the erythopoietic and oxidative-nitrosative stress response to poikilocapneic hypoxia was determined separately in-vivo by sampling arterial blood from eleven males in normoxia and following 12 h exposure to 13% oxygen. Electron paramagnetic resonance spectroscopy, ELISA and ozone-based chemiluminescence were employed for direct detection of ascorbate (A(center dot-)) and N-tert-butyl-a-phenylnitrone spin-trapped alkoxyl (PBN-OR) radicals, 3-nitrotyrosine (3-NT) and nitrite (NO2-).

Results: We found rHuEPO to be a potent scavenger of HO center dot (k(r) = 1.03-1.66 x 10(11) M-1 s(-1)) with the capacity to inhibit Fenton chemistry through catalytic iron chelation. Its ability to scavenge DPPH. and ROO center dot was also superior compared to other more conventional antioxidants. Hypoxia was associated with a rise in arterial EPO and free radical-mediated reduction in nitric oxide, indicative of oxidative-nitrosative stress. The latter was confirmed by an increased systemic formation of A(center dot-), PBN-OR, 3-NT and corresponding loss of NO2- (P <0.05 vs. normoxia). The erythropoietic and oxidative-nitrosative stress responses were consistently related (r =-0.52 to 0.68, P <0.05).

Conclusion: These findings demonstrate that EPO has the capacity to act as a biological antioxidant and provide a mechanistic basis for its reported cytoprotective benefits within the clinical setting.

Application of Asymmetric Marcus-Hush Theory to Voltammetry in Room-Temperature Ionic Liquids

Asymmetric MarcusHush (AMH) theory is applied for the first time in ionic solvents to model the voltammetric reduction of oxygen in 1-butyl-1-methylpyrrolidinium bis-(trifluoromethylsulfonyl)-imide and of 2-nitrotoluene (2-NT), nitrocyclopentane (NCP), and 1-nitro-butane (BuN) in trihexyltetradecylphosphonium tris(pentafluoroethyl)trifluorophosphate on a gold microdisc electrode. An asymmetry parameter, gamma, was estimated for all systems as -0.4 for the reduction of oxygen and -0.05, 0.25, and 0 +/- 0.05 for the reductions of 2-NT, NCP, and BuN, respectively, which suggests equal force constants of reactants and products in the case of 2-NT and BuN and unequal force constants for oxygen and NCP where the force constants of the oxidized species are greater than the reduced species in the case of oxygen and less than the reduced species in the case of NCP. Previously measured values for a, the Butler-Volmer transfer coefficient, reflect this in each case. Where appreciable asymmetry occurs, AMH theory was seen to parametrize the experimental data better than either Butler-Volmer or symmetric Marcus-Hush theory, allowing additionally the extraction of reorganization energy. This is the first study to provide key physical insights into electrochemical systems in room-temperature ionic liquids using AMH theory, allowing elucidation of the reorganization energies and the relative force constants of the reactants and products in each reaction.

Dual functional ionic liquids as antimicrobials and plasticisers for medical grade PVCs

Two ionic liquids, 1-ethylpyridinium docusate (IL1) and tri-n-butyl(2-hydroxyethyl)phosphonium docusate (IL2), were designed and synthesized with the explicit intention of imparting a combination of plasticization and antimicrobial efficacy when incorporated into medical grade poly(vinyl chloride)s (PVCs). The glass transition (T-g) of PVC can be reduced by >20 degrees C on addition of 15 wt% IL2. Both IL1 and IL2 leached to varying extents from the base PVC resins rendering the surface of the PVCs hydrophilic. The antimicrobial activity of both ILs is related to the presence and concentration of both cationic and anionic component of the ILs leached from the PVC and inversely proportional to the extent of PVC gelation. Blends of the PVCs with IL1 displayed antibacterial activity against almost all Gram-positive bacteria tested, including coagulase-negative Staphylococci (CoNS) and methicillin-resistant Staphylococcus aureus (MRSA), but not with IL2 at low concentration in contrast to our previous study when high concentrations of IL2 were used. The more hydrophilic IL1 when added to PVC retards biofilm formation.

Olefin / Paraffin separation using Task-Specific Materials based on Ionic Liquids: Advances in Gas Processing

In this work, 1-hexene was extracted from its mixtures with n-hexane in varying ratios using a task specific ionic liquid. Herein, the ionic liquid (IL) 1-butyl-3-methylimidazolium nitrate, [BMIM][NO3], was used and examined with and without the addition of a metal salt. The impact of water on both selectivity and distribution coefficient was also tested. Four potential metal salts were investigated, the results of which demonstrate that the dissolution of transition-metal salts in the IL improves the separation of 1-hexene from n-hexane through metal-olefin complexation. Additionally, the presence of water in IL solutions containing metal salt enhances this selectivity. Finally, UNIFAC was used to correlate the experimental LLE data with good accuracy.

Process for the preparation of heterocyclyl chalcogenones via reaction of elemental sulfur, selenium, or tellurium with heterocyclic cationic species.

Heterocyclic chalcogenones were prepd. by reaction of S, Se, or Te with ionic liqs. or salts [I; Ra = (substituted) alkyl, cycloalkyl, aryl, aralkyl, alkylaryl; Q = (unsatd.) (substituted) linker to form a ring of 5-10 members; X- = anion selected from conjugate bases of HX having a pKa value of >2.5]. Thus, 1-butyl-3-methylimidazolium acetate was heated with stoichiometric S at 75° for 48 h to give 1-butyl-3-methylimidazole-2-thione. [on SciFinder(R)]

Regenerated cellulose matrix-encapsulated active substances and method therefor.

The process involves encapsulation or immobilization of the active solid substance in a cellulose framework by regenerating cellulose dissolved in an ionic liq. solvent in a regenerating soln. The active substance can be initially present in the ionic liq. or in the regenerating solvent either as a soln. or dispersion. The invention is applicable to mol. encapsulation and to entrapping of larger particles including enzymes, nanoparticles and macroscopic components, and to the formation of bulk materials with a wide range of morphol. forms. Thus, carbamoylmethylphosphine oxide (I) encapsulated in a cellulose matrix was realized by adding I to a 10% soln. of cellulose in 1-butyl-3-methylimidazolium chloride (ionic liq.) under vigorous stirring and then removing the ionic liq. with water. [on SciFinder(R)]

Ionic liquid reconstituted cellulose composites as solid support matrices with good transparency for biocatalytic reaction.

Disclosed are composites comprising regenerated cellulose, a first active substance, a second active substance, and a linker. Thus, microcryst. cellulose was dissolved in 1-butyl-3-methylimidazolium chloride using microwave pulse heating at 120-150°, cooled to 60° to form a super-cooled liq., 20% (based on cellulose) poly(L-lysine hydrobromide) was added therein, homogenized, cast onto a glass plate, the resulting film soaked in water for at least 24 h to leach residual from the film to give a reconstituted cellulose film, showing good transparency. [on SciFinder(R)]

Lanthanide oxide nanotubes and nanorods: synthesis, processing, luminescence and catalytic properties

Esta tese relata estudos de síntese, caracterização da estrutura e das propriedades de fotoluminescência e aplicações de nanotubos e nanobastonetes de óxidos de lantanídeos em pontas para microscopia de força atómica, catálise heterogénea e compósitos de base polimérica. Há um interesse crescente em compreender como o confinamento quântico decorrente da redução do tamanho de partícula pode influenciar a eficiência da luminescência, a dinâmica dos estados excitados, a transferência de energia e os efeitos de termalização de nanoluminóforos. Em nanocristais dopados com lantanídeos (Ln3+), e apesar da localização dos estados 4f, ocorrem efeitos de confinamento quântico via interacção com os modos vibracionais da rede. Em particular, a termalização anómala, descrita para uma variedade de nanocristais dopados com Ln3+, tem sido atribuída à ausência de modos vibracionais de menor frequência. Este nanoconfinamento pode ter impacto na dinâmica da luminescência, bem como na transferência de energia mediada por modos vibracionais e processos de upconversion. Nesta tese, relata-se o estudo deste efeito em nanotubos de Gd2O3:Eu3+. A influência de parâmetros como a concentração de európio e as condições de calcinação também foi investigada. Algumas aplicações destes óxidos de lantanídeos também foram exploradas, nomeadamente a modificação de pontas usadas em microscopia de força atómica com nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+, lograda através de dielectroforese, técnica que não degrada a emissão de luz (rendimento quântico 0.47). As pontas modificadas são estáveis sob condições de trabalho, podendo ser aplicadas, por exemplo, em microscopia óptica de varrimento de campo próximo (SNOM). A oxidação em fase líquida do etilbenzendo foi investigada usando como catalisador nanotubos de CeO2, em presença dos oxidantes hidroperóxido de t-butilo e H2O2, e do solvente acetonitrilo, e temperaturas entre 55 e 105 ºC. Nanobastonetes de Gd2O3:Eu3+ recobertos com sílica foram preparados pelo método sol-gel. Esta cobertura resultou num aumento, quer do rendimento quântico de emissão, de 0.51 para 0.86 (excitação a 255 nm), quer dos tempos de vida,de 1.43 para 1.80 ms (excitação a 394.4 nm). A superfície dos nanotubos cobertos com sílica foi modificada com o agente de acoplamento metacrilato de 3-(trimetoxissilil)propilo que permitiu a preparação de compósitos através da subsequente polimerização in-situ do estireno por técnicas de miniemulsão e solução. ABSTRACT: This thesis reports on the synthesis, characterisation of the structure and photoluminescence properties, and applications of nanotubes and nanorods of lanthanides oxides in atomic force microscopy tips, heterogeneous catalysis and polymer-base composites. There is a growing interest in understanding how size-dependent quantum confinement affects the photoluminescence efficiency, excited-state dynamics, energy-transfer and thermalisation phenomena in nanophosphors. For lanthanide (Ln3+)-doped nanocrystals, and despite the localisation of the 4f states, confinement effects are induced mostly via electron-phonon interactions. In particular, the anomalous thermalisation reported for a handful of Ln3+-doped nanocrystals has been rationalised by the absence of lowfrequency phonon modes. This nanoconfinement may further impact on the Ln3+ luminescence dynamics, such as phonon-assisted energy transfer or upconversion processes. Here, this effect is investigated in Gd2O3:Eu3+ nanotubes. The influence of parameters such as europium concentration and calcination procedure is also studied. Some applications of these lanthanides oxides have been explored, for instance the modification of atomic force microscopy tips with photoluminescent Gd2O3:Eu3+ nanorods, using dielectrophoresis, a technique which preserves the red emission of the nanorods (quantum yield 0.47). The modified tips are stable under working conditions and may find applications in scanning near-field optical microscopy. The liquid-phase oxidation of ethylbenzene over CeO2 nanotubes has been investigated, using tert-butyl-hydroperoxide and H2O2 as the oxidising agents, and acetonitrile as the solvent, in the range 55-105 ºC. Gd2O3:Eu3+ nanorods have been coated with silica via a sol-gel approach. The silica coating increases both, the Eu3+ absolute emission quantum yields from 0.51 to 0.86 (255 nm excitation), and decay times from 1.43 to 1.80 ms (394.4 nm excitation). The silica coating was modified with 3- (trimethoxysilyl) propyl methacrylate and, subsequently, composites have been prepared by in-situ radical polymerisation of styrene via miniemulsion and solution routes.

Síntese de derivados oligoméricos de porfirinas e ftalocianinas

A presente dissertação contempla estudos de funcionalização de 5,10,15,20- tetrafenilporfirina via grupos nitro e amino e a preparação de sistemas porfirina-ftalocianina. Este trabalho encontra-se dividido em quatro partes. Na primeira parte descrevem-se as características gerais de porfirinas e ftalocianinas bem como algumas metodologias de síntese utilizadas na sua preparação e suas potenciais aplicações. Na segunda parte desta dissertação descreve-se a funcionalização de 5,10,15,20-tetrafenilporfirina com arilaminas recorrendo a duas rotas sintéticas diferentes. A reacção de 2-nitro-5,10,15,20-tetrafenilporfirina com anilina ou aminas aromáticas substituídas com grupos dadores de electrões permitiu, através do ataque do nucleófilo ao carbono beta-pirrólico onde está ligado o grupo nitro, ataque ipso, a obtenção de derivados do tipo 2-arilaminoporfirinas e derivados porfirínicos de anéis fundidos, sendo estes últimos resultantes da ciclização oxidativa de 2-arilaminoporfirinas. A reacção entre (2-amino- 5,10,15,20-tetrafenilporfirinato)níquel(II) e brometos de arilo na presença de paládio, reacção de aminação de Buchwald-Hartwig, permitiu, após descomplexação, a preparação de novos derivados do tipo 2- arilaminoporfirinas com grupos substituintes dadores e aceitadores de electrões. Um dos derivados porfirínicos de anéis fundidos foi submetido a reacção de complexação com diferentes iões metálicos e foram estudadas as respectivas propriedades fotoquímicas e electroquímicas. Esses estudos revelaram que estes compostos são bons geradores de oxigénio singuleto e que sofrem processos de oxidação-redução electroquimicamente reversíveis. Esta metodologia foi estendida ainda a brometos de hetarilo (derivados de piridina e tiofeno). Recorrendo ao acoplamento, em condições de Buchwald-Hartwig, de complexos metálicos da 5,10,15,20-tetrafenilporfirina, funcionalizados com grupos amino e bromo, preparam-se dímeros porfirina-amino-porfirina, cujos espectros electrónicos revelam a existência de uma boa “comunicação electrónica” entre as duas subunidades. A terceira parte descreve a síntese de sistemas porfirina-ftalocianina. Recorrendo à condensação estatística entre a 5,10,15,20-tetrafenilporfirina substituída com um grupo ftalonitrilo na posição beta-pirrólica com ftalonitrilo ou ftalonitrilo substituído foram obtidas díades porfirina-ftalocianina onde as duas subunidades se encontram directamente ligadas ou fundidas. Os porfirinilftalonitrilos necessários para a síntese das diferentes díades foram preparados através da reacção de adição do fumaronitrilo à 5,10,15,20- tetrafenilporfirina funcionalizada com o grupo 1,3-butadienilo ou vinilo, seguida de oxidação do aducto resultante. O acoplamento catalisado por paládio entre (2-bromo-5,10,15,20- tetrafenilporfirinato)zinco(II) e [9(10),16(17),23(24)-tri-terc-butil-2- etinilftalocianinato]zinco(II) permitiu a síntese de uma díade porfirinaftalocianina com as duas unidades ligadas por um grupo etinilo. Uma pentíade porfirina-ftalocianina foi obtida através da ciclotetramerização de um dos porfirinilftalonitrilos. A comparação dos espectros electrónicos das diferentes classes de sistemas revela que as correspondentes propriedades electrónicas são altamente afectadas pela distância entre as subunidades e também pelo número de cromóforos presentes no sistema. Os estudos fotofísicos de alguns dos novos compostos acima referidos permitiram verificar a ocorrência eficiente de transferência de energia da subunidade porfirínica para a da ftalocianina, capacidade essa que permitirá a estes sistemas serem usados para modelar o processo fotossintético. Na última parte descrevem-se, pormenorizadamente, todas as experiências efectuadas e as caracterizações espectroscópicas, nomeadamente de espectroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN), espectrometria de massa e espectrofotometria de UV-vis, dos compostos sintetizados. Nalguns casos recorreu-se ainda a técnicas de RMN bidimensionais como COSY, HSQC, HMBC, NOESY e ROESY.

Gas liquid equilibria at high pressures

Este trabalho tem como objectivo a medição da solubilidade de gases em líquidos a altas pressões. Para a realização experimental foi usada uma célula de altas pressões de volume variável e um método de observação directa para a detecção das transições de fase. As condições usadas neste trabalho experimental foram temperaturas entre 276.00 e 373.15 K e pressões ate 100 MPa. Numa primeira fase foram efectuadas medições de solubilidade de metano em anilina pura e para uma solução aquosa de composição mássica igual a 5% em anilina. A anilina é fundamentalmente usada em processos como a produção de borracha, de poliuretanos, pigmentos e tintas, fármacos, herbicidas e fungicidas. É usualmente produzida através de processos de redução do nitrobenzeno por reacção com o HCl. De facto, esta síntese é um processo químico complexo onde um grande número de processos compete entre si. Alterações nas condições do processo com a possível formação de produtos intermediários podem afectar a eficiência do processo. Para a sua melhoria foi sugerido que o hidrogénio usado fosse simultaneamente produzido e gasto no reactor principal. Neste caso e para a produção do mesmo, era necessário adicionar metano e água ao reactor. Tendo por base a ideia de que as reacções onde o hidrogénio é reagente e produto ocorrem em simultâneo, torna-se clara a importância do estudo da solubilidade do metano em anilina pura e em soluções aquosas desta. Numa segunda fase foi estudada a solubilidade do dióxido de carbono em soluções aquosas de tri-iso-butil(metil)fosfónio tosilato, com composições molares são de 4, 8 e 12% em líquido iónico. Este pertencente à família dos fosfónios. Possui uma viscosidade e densidade elevadas, é térmica e quimicamente estável e ainda possui uma elevada polaridade. Apresenta uma miscibilidade completa em água e nos solventes mais usuais, como o diclorometano e tolueno, não sendo no entanto míscivel em hexano. O tri-isobutil( metil)fosfónium tosilato é usado como solvente nos processos de hidroformilação de olefinas e ainda em processos de captura e conversão de dióxido de carbono. Neste trabalho experimental, a temperatura e a pressão foram inicialmente aumentadas até o sistema atingir o equilíbrio. A pressão é diminuída lentamente até se verificar o aparecimento/desaparecimento da última bolha de gás. A pressão à qual a última bolha de gás desaparece representa a pressão de equilíbrio para aquela temperatura. Este procedimento foi efectuado para vários sistemas e várias temperaturas.

Síntese e estudos estruturais de novos materiais luminescentes

A presente dissertação teve como objectivo a síntese, caracterização e estudo das propriedades luminescentes de complexos livres e/ou imobilizados no material mesoporoso MCM-41. Na primeira parte estudaram-se complexos do tipo, Eu(NTA)3L2, onde NTA corresponte ao β-dicetonato 1-(2-naftoil)-3,3,3-trifluoro-acetonato, e L2 aos ligandos bidentados de azoto derivados do pirazolilpiridina e L aos ligandos monodentados (etil-4-piridilacetato, água, piridina e metilfenilsulfóxido). Alguns destes ligandos foram imobilizados e/ou impregnados no MCM-41, tendo-se posteriormente complexado o fragmento Eu(NTA)3. Na segunda parte estudou-se o efeito do contra-ião no complexo C[Eu(NTA)4], usando os catiões (C): tetrabutilamónio [NBu4]+, 1-butil-3-metilimidazolilo [C4mim]+ e 1-butil-3-metilpiridínio [C4mpy]+. O anião [Eu(NTA)4]- foi imobilizado no MCM-41 derivatizado com grupos 1-propil-3-metilimidazolilo. Todos os complexos preparados foram caracterizados pelas técnicas de análise elementar, termogravimetria, espectroscopias vibracionais (Infravermelho e Raman) e de ressonância magnética nuclear, e os materiais preparados foram adicionalmente analisados por difracção de raios-X de pós e ressonância magnética nuclear de estado sólido. Foram também estudadas as propriedades fotoluminescentes dos compostos, e para facilitar a análise dos resultados, nalguns casos foram preparados e caracterizados os compostos análogos de gadolínio.