Direct Synthesis of Terminally ``Clickable'' Linear and Hyperbranched Polyesters

1,3-Dipolar cycloaddition of an organic azide and an acetylenic unit,often referred to as the ``click reaction'', has become an important ligation tool both in the context of materials chemistry and biology. Thus, development of simple approaches to directly generate polymers that bear either an azide or an alkyne unit has gained considerable importance. We describe here a straightforward approach to directly prepare linear and hyperbranched polyesters that carry terminal propargyl groups. To achieve the former, we designed an AB-type monomer that carries a hydroxyl group and a propargyl ester, which upon self-condensation under standard transesterification conditions yielded a polyester that carries a single propargyl group at one of its chain-ends. Similarly, an AB(2) type monomer that carries one hydroxyl group and two propargyl ester groups, when polymerized under the same conditions yielded a hyperbranched polymer with numerous clickable'' propargyl groups at its molecular periphery. These propargyl groups can be readily clicked with different organic azides, such as benzyl azide, omega-azido heptaethyleneglycol monomethylether or 9-azidomethyl anthracene. When an anthracene chromophore is clicked, the molecular weight of the linear polyester could be readily estimated using both UV-visible and fluorescence spectroscopic measurements. Furthermore, the reactive propargyl end group could also provide an opportunity to prepare block copolymers in the case of linear polyesters and to generate nanodimensional scaffolds to anchor variety of functional units, in the case of the hyperbranched polymer. (C) 2010 Wiley Periodicals, Inc. J Polym Sci Part A: Polym Chem 48: 3200-3208, 2010.

A Vicarious One-Pot Transformation of a Fluorocyclitol to a Polycyclitol: Observation of a Formal 4-Fold Axial-Equatorial Epimerization on a Conformationally Locked Scaffold

A conformationally locked fluoropentol undergoes an interesting transformation to (trans,anti,trans,anti,trans)-perhydro-2,3,4a,6,7,8a-naphthalenehexol essentially under conditions of base-induced transesterification. The proposed rationale for the observed metamorphosis involves a nucleophilic displacement of fluoride, and subsequent stereo- and regioselective anti-Furst-Plattner-type ring-opening of the epoxide thus formed.

DNA topoisomerase I from mycobacteria - A potential drug target

DNA topoisomerases are ubiquitous group of enzymes altering the topology of DNA by concerted breakage and rejoining of the phosphodiester backbone of DNA. The enzymes are classified based on the pattern of DNA cleavage. Type IA enzymes found in all bacteria nick the DNA and attach themselves covalently to the 5' side of the nick during the first transesterification reaction. Most of the information on this group of enzymes comes from studies with E. coli topoisomerase I and III. Members of type IA group are single subunit Zn++ metalloenzymes recognizing single stranded DNA without high degree of sequence specificity during relaxation reaction of negatively super coiled DNA. So far no inhibitors are known for this group of enzymes inspite of their important role in maintaining homeostasis of DNA topology. Molecular characterization of DNA topoisomerase I from mycobacteria has revealed some of the important features of type IA enzymes hitherto unknown and provide scope for identifying novel inhibitors. The present review describes the recent developments in the area summarizing the distinctive features of mycobacterial topoisomerase I. The enzyme has several properties not shared by either type IA or 113 enzymes with respect to DNA binding, recognition, sequence specificity and interaction pattern. The physiological basis of the unusual features is discussed. The unique properties described would aid in developing the enzyme as a target molecule in pharmaceutical design. In addition, the findings lead to address some fundamental questions on the intracellular role of topoisomerase I in the biology of mycobacteria which are one of the most formidable group of pathogenic organisms.

Inhibition of type IA topoisomerase by a monoclonal antibody through perturbation of DNA cleavage-religation equilibrium

Type IA DNA topoisomerases, typically found in bacteria, are essential enzymes that catalyse the DNA relaxation of negative supercoils. DNA gyrase is the only type II topoisomerase that can carry out the opposite reaction (i.e. the introduction of the DNA supercoils). A number of diverse molecules target DNA gyrase. However, inhibitors that arrest the activity of bacterial topoisomerase I at low concentrations remain to be identified. Towards this end, as a proof of principle, monoclonal antibodies that inhibit Mycobacterium smegmatis topoisomerase I have been characterized and the specific inhibition of Mycobacterium smegmatis topoisomerase I by a monoclonal antibody, 2F3G4, at a nanomolar concentration is described. The enzyme-bound monoclonal antibody stimulated the first transesterification reaction leading to enhanced DNA cleavage, without significantly altering the religation activity of the enzyme. The stimulated DNA cleavage resulted in perturbation of the cleavagereligation equilibrium, increasing single-strand nicks and proteinDNA covalent adducts. Monoclonal antibodies with such a mechanism of inhibition can serve as invaluable tools for probing the structure and mechanism of the enzyme, as well as in the design of novel inhibitors that arrest enzyme activity.

Self-Adapting Peripherally Heterofunctionalized Hyperbranched Polymers: Formation of Janus and Tripodal Structures

A peripherally clickable hyperbranched polyester carrying numerous propargyl terminal groups was prepared by a simple melt transesterification polycondensation of a suitably designed AB(2) monomer; this clickable hyperscaffold was then transformed into a variety of different derivatives by using the Cu-catalyzed azide-yne click reaction. Functionalization of the periphery with equimolar quantities of mutually immiscible segments, such as hydrocarbon, fluorocarbon, and PEG, yielded frustrated molecular systems that readapt and form structures wherein the immiscible segments appear to self-segregate to generate either Janus structures (when two immiscible segments are present) or tripodal structures (when three immiscible segments are present). Evidence for such self-segregation was obtained from a variety of studies, such as differential scanning calorimetry, Langmuir isotherms, AFM imaging, and small-angle X-ray scattering measurements. Crystallization of one or more of the peripheral segments reinforced this self-segregation; the weight-fraction-normalized enthalpies of melting associated with the different domains revealed a competition between the segments to optimize their crystalline organization. When one or more of the segments are amorphous, the remaining segments crystallize more effectively and consequently exhibit a higher melting enthalpy. AFM images of monolayers, transferred from the Langmuir trough, revealed that the thickness matches the expected values; furthermore, contact angle measurements clearly demonstrated that the monolayer films are fairly hydrophobic, and in the case of the tripodal hybramers, the presence of domains of hydrocarbon and fluorocarbon appears to impart nanoscale chemical heterogeneity that is reflected in the strong hysteresis in the advancing and receding contact angles.

Experimental determination and theoretical correlation for the solubilities of dicarboxylic acid esters in supercritical carbon dioxide

The synthesis of high molecular weight esters such as bis (2-ethylhexyl) sebacate is of significance for its use as a lubricant. This ester is synthesized by the transesterification of dimethyl sebacate with 2-ethylhexanol. Therefore, the solubilities of bis (2-ethylhexyl) sebacate and dimethyl sebacate were determined at 308-328 K at pressures of 10-18 MPa in supercritical carbon dioxide. The solubility of dimethyl sebacate was always higher than bis (2-ethylhexyl) sebacate at a given temperature and pressure. The Mendez-Teja model was used to verify the self-consistency of data. Further, a new semi-empirical model with three parameters was developed using the solution theory coupled with Wilson activity coefficient. This model was used to correlate the experimental data of this work and solubilities of many high molecular weight esters reported in the literature. (C) 2015 Elsevier B.V. All rights reserved.

Recognition of double helical DNA by purine oligonucleotides via triple helix formation

Oligonucleotide-directed triple helix formation is one of the most versatile methods for the sequence specific recognition of double helical DNA. Chapter 2 describes affinity cleaving experiments carried out to assess the recognition potential for purine-rich oligonucleotides via the formation of triple helices. Purine-rich oligodeoxyribonucleotides were shown to bind specifically to purine tracts of double helical DNA in the major groove antiparallel to the purine strand of the duplex. Specificity was derived from the formation of reverse Hoogsteen G•GC, A•AT and T•AT triplets and binding was limited to mostly purine tracts. This triple helical structure was stabilized by multivalent cations, destabilized by high concentrations of monovalent cations and was insensitive to pH. A single mismatched base triplet was shown to destabilize a 15 mer triple helix by 1.0 kcal/mole at 25°C. In addition, stability appeared to be correlated to the number of G•GC triplets formed in the triple helix. This structure provides an additional framework as a basis for the design of new sequence specific DNA binding molecules.

In work described in Chapter 3, the triplet specificities and required strand orientations of two classes of DNA triple helices were combined to target double helical sequences containing all four base pairs by alternate strand triple helix formation. This allowed for the use of oligonucleotides containing only natural 3'-5' phosphodiester linkages to simultaneously bind both strands of double helical DNA in the major groove. The stabilities and structures of these alternate strand triple helices depended on whether the binding site sequence was 5'-(purine)_m (pyrimidine)_n-3' or 5'- (pyrimidine)_m (purine)_n-3'.

In Chapter 4, the ability of oligonucleotide-cerium(III) chelates to direct the transesterfication of RNA was investigated. Procedures were developed for the modification of DNA and RNA oligonucleotides with a hexadentate Schiff-base macrocyclic cerium(III) complex. In addition, oligoribonucleotides modified by covalent attachment of the metal complex through two different linker structures were prepared. The ability of these structures to direct transesterification to specific RNA phosphodiesters was assessed by gel electrophoresis. No reproducible cleavage of the RNA strand consistent with transesterification could be detected in any of these experiments.

Obtenção de biodiesel por transesterificação enzimática de óleo de soja com etanol empregando t-butanol como solvente

Neste estudo foi investigada a alcoólise enzimática do óleo de soja com etanol, utilizando t-butanol como solvente e enzimas imobilizadas Lipozyme TL IM, Lipozyme RM IM e Novozym 435 como catalisadores. As reações foram realizadas em um reator batelada fechado acoplado a um condensador e com constante agitação. Foram avaliadas a influência do t-butanol, do tipo de enzima utilizada, da razão molar álcool/óleo e da temperatura no rendimento em biodiesel. A etanólise do óleo de soja por sucessivas adições de álcool foi investigada e as melhores condições foram obtidas em presença de t-butanol, razão molar etanol/óleo igual a 3, temperatura de 50C e 5% (m/m) de Novozym 435. Nas reações conduzidas em presença de t-butanol não foram observadas diferenças significativas entre a adição direta e a escalonada do álcool. Os efeitos da adição de álcool só foram observados na ausência de t-butanol. O rendimento máximo em ésteres etílicos atingido foi cerca de 66% após 4h de reação com Novozym 435 na presença de solvente.

Síntese e caracterização de biodiesel obtido via catálises homogênea e heterogênea de óleo extraído de sementes de Helianthus annuus

O biodiesel é definido como um mono alquil éster de ácidos graxos de cadeia longa derivado de fontes renováveis tais como óleos vegetais e gorduras animais. Sua importância esta associada ao uso como um combustível alternativo para motores do ciclo Diesel podendo ser utilizado puro ou em misturas com o diesel representando economia de petróleo e menor poluição ambiental. Em geral é obtido por meio da reação de transesterificação na qual os triacilgliceróis, principais constituintes dos óleos e gorduras reagem com álcool, em presença de um catalisador ácido ou básico, produzindo ésteres de ácidos graxos e glicerol. A transesterificação pode ser conduzida por catálise homogênea ou heterogênea. O grande desafio da indústria é otimizar o processo a fim de alcançar um produto e uma rota de produção tecnologicamente eficiente e ambientalmente correta. O objetivo desta pesquisa foi estudar a síntese do biodiesel utilizando o processo de transesterificação do óleo de girassol por catálises homogênea e heterogênea. Foram realizadas reações de transesterificação via rotas metílica e etílica, empregando como catalisador homogêneo alcóxido de potássio e como catalisador heterogêneo a resina comercial de troca iônica Amberlyst 26

Estudo da correlação entre as características da matéria-prima graxa e as propriedades físico-químicas do biodiesel

A possibilidade de utilização de várias matérias graxas na produção do biodiesel nacional é um fator diferencial em relação aos outros países e requer um conhecimento mais profundo das particularidades do biodiesel obtido a partir de matérias-primas tão distintas. Neste contexto, se insere a presente pesquisa, em que se buscou estabelecer correlações entre algumas propriedades do biodiesel e a fonte oleaginosa que lhe deu origem. O biodiesel foi obtido a partir da reação de transesterificação etílica de dez diferentes matérias-primas graxas (óleos refinados de soja, arroz, canola, girassol, milho, oliva, cyclus (mistura contendo óleos de canola, milho e girassol); óleos brutos de mamona e murumuru, além de resíduo de fritura), utilizando etanolato de potássio como agente catalítico, em um reator com sistema de refluxo a 70C durante uma hora. Após purificação, foram determinadas algumas propriedades do biodiesel (massa específica, viscosidade, índice de acidez e índice de iodo) e da matéria-prima (massa específica, viscosidade, índice de acidez, índice de iodo e composição) que lhe deu origem. Os resultados obtidos nas caracterizações geraram gráficos de correlações entre os diversos parâmetros e os dados foram analisados estatisticamente pelo método de correlações canônicas. Para todas as amostras de biodiesel, os valores obtidos nas caracterizações foram compatíveis com as especificações estabelecidas pela ANP para o produto, com exceção do biodiesel de murumuru (índice de acidez elevado e viscosidade baixa) e do biodiesel de mamona (viscosidade e massa específica elevadas). Os dados estatísticos demonstram altas correlações entre o biodiesel (massa específica (87,4%), viscosidade (98,5%) e índice de acidez (82,8%)) e as matérias-primas (massa específica (92,1%) e viscosidade (99,3%)). Além disso, existe uma grande correlação entre o índice de iodo (84,5%) do biodiesel e o índice de iodo (77,2%) e a massa molar dos ésteres na faixa de C16-C18 (MMTG) presentes na matéria-prima (89,1%). Estes resultados estatísticos ratificam as observações analíticas

Produção de biodiesel pela rota heterogênea empregando catalisadores a base de Zn e Al

Nos últimos anos, a busca por fontes de energia renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de biocombustíveis têm sido objeto de intensa investigação. O biodiesel é um combustível biodegradável, derivado de fontes renováveis e é obtido em escala industrial principalmente através da reação de transesterificação de óleos vegetais e/ou gorduras animais com metanol na presença de catalisadores homogêneos, como NaOH. Entretanto, a utilização de catalisadores heterogêneos tem sido sugerida por diversos autores, por apresentar vantagens como a eliminação dos problemas de separação e purificação dos produtos obtidos. No presente trabalho foi investigada a produção de biodiesel a partir da transesterificação do óleo de soja com metanol utilizando óxidos mistos de Zn e Al como catalisadores sólidos básicos. A influência das variáveis: temperatura, concentração de catalisador e relação molar metanol/óleo de soja na produção de biodiesel foi avaliada. Os catalisadores preparados apresentaram predominantemente sítios básicos e foram ativos frente à reação estudada, sendo os resultados mais promissores apresentados pelo óxido misto com relação molar Al/(Al+Zn)=0,50, obtido por tratamento térmico à 450C, que apresentou rendimentos em ésteres metílicos de até 98,5% sob condições específicas. A metodologia da superfície de resposta foi utilizada visando estabelecer as condições ótimas para maximizar o rendimento em ésteres metílicos, tendo sido encontradas a temperatura de 165oC e a concentração de catalisador de 5,8% m/m em relação massa de óleo, no caso da relação molar metanol/óleo de soja limitada em 15. Essa limitação teve como objetivo garantir um processo viável em escala comercial

Produção de biodiesel a partir da alcoólise do óleo de palma

No presente trabalho foi investigada a produção de biodiesel a partir da alcoólise do óleo de palma catalisada por lipase imobilizada comercial. O efeito da razão molar de álcool:óleo, da forma de adição do álcool (única e escalonada), da temperatura de reação, da concentração de enzima, do tipo de álcool (metanol e etanol), do tipo de enzima e da reutilização da enzima no rendimento final de reação foi avaliado. As reações conduzidas com etanol apresentaram rendimentos superiores aos obtidos com o emprego de metanol devido à maior desativação da lipase pelo álcool de menor número de átomos de carbono. O maior rendimento em biodiesel (54%) foi obtido empregando razão molar de álcool:óleo de 3:1, com adição escalonada de etanol (0, 30 e 60 minutos), 9% (m/m) de Lipozyme TL IM a 50C. Não foi possível recuperar a lipase ao final das reações, pois a matriz de imobilização se solubilizou no meio. Além disso, para comparação, foi investigada a utilização das lipases comerciais imobilizadas Lipozyme RM IM e Novozym 435 e dos catalisadores químicos KOH, MgO e La2O3. O rendimento em biodiesel nas reações catalisadas pelas lipases foi maior do que os obtidos com catalisadores químicos. A menor eficiência dos catalisadores químicos pode ser justificada pelo alto índice de acidez do óleo de palma (6,26 mg KOH.g-1) que promove o consumo do catalisador (KOH), devido à neutralização dos ácidos graxos livres presentes no óleo, e o bloqueio dos sítios ativos dos catalisadores químicos sólidos devido à adsorção dos ácidos graxos nestes sítios

Magnetic Cross-Linked Enzyme Aggregates (mCLEAs) of Candida antarctica Lipase: An Efficient and Stable Biocatalyst for Biodiesel Synthesis

Enzyme-catalyzed production of biodiesel is the object of extensive research due to the global shortage of fossil fuels and increased environmental concerns. Herein we report the preparation and main characteristics of a novel biocatalyst consisting of Cross-Linked Enzyme Aggregates (CLEAs) of Candida antarctica lipase B (CALB) which are covalently bound to magnetic nanoparticles, and tackle its use for the synthesis of biodiesel from non-edible vegetable and waste frying oils. For this purpose, insolubilized CALB was covalently cross-linked to magnetic nanoparticles of magnetite which the surface was functionalized with –NH2 groups. The resulting biocatalyst combines the relevant catalytic properties of CLEAs (as great stability and feasibility for their reutilization) and the magnetic character, and thus the final product (mCLEAs) are superparamagnetic particles of a robust catalyst which is more stable than the free enzyme, easily recoverable from the reaction medium and reusable for new catalytic cycles. We have studied the main properties of this biocatalyst and we have assessed its utility to catalyze transesterification reactions to obtain biodiesel from non-edible vegetable oils including unrefined soybean, jatropha and cameline, as well as waste frying oil. Using 1% mCLEAs (w/w of oil) conversions near 80% were routinely obtained at 30°C after 24 h of reaction, this value rising to 92% after 72 h. Moreover, the magnetic biocatalyst can be easily recovered from the reaction mixture and reused for at least ten consecutive cycles of 24 h without apparent loss of activity. The obtained results suggest that mCLEAs prepared from CALB can become a powerful biocatalyst for application at industrial scale with better performance than those currently available.

Avaliação de catalisadores à base de estanho visando à produção de biodiesel

Atualmente, existe um crescente interesse por fontes de energia renováveis e o desenvolvimento de novas tecnologias para a produção de biocombustíveis. O biodiesel é uma fonte alternativa de combustível bastante atrativa em relação ao diesel em decorrência de seus benefícios ambientais. A obtenção de biodiesel é geralmente realizada através de reações de transesterificação de óleos vegetais com álcool de cadeia curta. Entretanto, também se pode produzi-lo através da esterificação de ácidos graxos livres utilizando-se matérias-primas de baixa qualidade como rejeitos industriais, domésticos ou gorduras animais. O estudo de catalisadores que melhorem os resultados destas reações tem importante papel no desenvolvimento da produção de biodiesel. Normalmente, utilizam-se catalisadores básicos como o NaOH, nas reações de transesterificação. No entanto, o uso destes catalisadores causa impactos ambientais, além de promover a reação de saponificação quando a matéria-prima apresenta teores significativos de acidez, reduzindo o rendimento e dificultando a separação de fases. Este trabalho apresenta o estudo de catalisadores ácidos, à base de estanho, com ênfase especial no sulfato de estanho II, voltados para utilização na reação de esterificação de cargas contendo elevados teores em ácidos graxos. Avaliou-se a influência das variáveis: temperatura, concentração do catalisador, tipo de sistema reacional, quantidade de etanol, tipo de álcool, acidez, natureza dos ácidos graxos e temperatura de calcinação. Uma comparação entre os catalisadores, a questão da reutilização do catalisador e das mudanças proporcionadas pelo tratamento térmico ao qual foram submetidos também foram analisadas. Dentre os catalisadores estudados, os de sulfato de estanho mostraram maior atividade catalítica frente à reação estudada, os mais promissores sendo os calcinados até a temperatura de 500C. O principal motivo para os altos rendimentos encontrados foi associado ao comportamento pseudo-homogêneo do SnSO4, que se solubiliza, acidificando o meio reacional durante as reações de esterificação

Produção de biodiesel por transesterificação enzimática de óleo de soja

Neste trabalho, foi investigada a alcoólise do óleo de soja com álcool utilizando uma lipase comercial imobilizada (Lipozyme RM IM). As reações foram realizadas em um reator batelada fechado acoplado a um condensador e com constante agitação. Foi determinada a influência do álcool (metanol ou etanol), quantidade de enzima, razão molar álcool/óleo de soja, solvente e temperatura na produção de biodiesel. A etanólise do óleo de soja por sucessivas adições de álcool foi investigada. As melhores condições foram obtidas em um sistema livre de solvente com razão molar etanol/óleo igual a 3,0, temperatura de 50C e concentração de enzima de 7% em massa. A etanólise em batelada com 3 adições sucessivas foi a mais eficiente para a produção de biodiesel. Nessas condições, o rendimento em ésteres etílicos foi cerca de 55% após 2h de reação. A alcoólise de óleo de soja com metanol e etanol também foi estudada com KOH. O efeito do álcool (metanol ou etanol), concentração do catalisador e razão molar entre álcool e óleo de soja foi determinada. O maior rendimento (92%) na alcoólise do óleo de soja com KOH foi obtido com metanol