Progress in the development of immunoanalytical methods incorporating recombinant antibodies to small molecular weight biotoxins

Rapid immunoanalytical screening of food and environmental samples for small molecular weight (hapten) biotoxin contaminations requires the production of antibody reagents that possess the requisite sensitivity and specificity. To date animal-derived polyclonal (pAb) and monoclonal (mAb) antibodies have provided the binding element of the majority of these assays but recombinant antibodies (rAb) isolated from in vitro combinatorial phage display libraries are an exciting alternative due to (1) circumventing the need for experimental animals, (2) speed of production in commonly used in vitro expression systems and (3) subsequent molecular enhancement of binder performance. Short chain variable fragments (scFv) have been the most commonly employed rAb reagents for hapten biotoxin detection over the last two decades but antibody binding fragments (Fab) and single domain antibodies (sdAb) are increasing in popularity due to increased expression efficiency of functional binders and superior resistance to solvents. rAb-based immunochromatographic assays and surface plasmon resonance (SPR) biosensors have been reported to detect sub-regulatory levels of fungal (mycotoxins), marine (phycotoxins) and aquatic biotoxins in a wide range of food and environmental matrices, however this technology has yet to surpass the performances of the equivalent mAb- and pAb-based formats. As such the full potential of rAb technology in hapten biotoxin detection has yet to be achieved, but in time the inherent advantages of engineered rAb are set to provide the next generation of ultra-high performing binder reagents for the rapid and specific detection of hapten biotoxins.

Virgin Olive Oil: Losses of Antioxidant Polar Phenolic Compounds due to Storage, Packaging, and Culinary Uses

Virgin olive oil is a high quality natural product obtained only by physical means. In addition to triacylglycerols it contains nutritionally important polar and non-polar antioxidant phenols and other bioactive ingredients. The polar fraction is a complex mixture of phenolic acids, simple phenols, derivatives of the glycosides oleuropein and ligstroside, lignans, and flavonoids. These compounds contribute significantly to the stability, flavor, and biological value of virgin olive. In the various stages of production, during storage and in the culinary uses, polar phenols and other valuable bioactive ingredients may be damaged. Oxidation, photo-oxidation, enzymic hydrolysis and heating at frying temperatures have a serious adverse effect. Due to the biological importance of the oil and its unique character, analytical methods have been developed to evaluate antioxidant activity or analyse complex phenol mixtures. These are based on radical scavenging assays and chromatographic techniques. Hyphenated methods are also used including liquid chromatography-mass spectrometry and liquid chromatography-nuclear magnetic resonance spectroscopy.

SURFACE-MODE ENHANCED PHOTOCURRENT FROM PTSI/N-SI SCHOTTKY-BARRIER DETECTORS

Using the Otto geometry of attenuated total reflection (prism-air gap-sample), front illuminated PtSi/Si Schottky barrier detectors are shown to exhibit enhanced photocurrent at surface plasmon resonance in the near infrared region. Correlation of the measured photocurrent with the calculated transmittance of light into the Si substate is demonstrated. The transmittance, which is due to surface plasmon re-radiation, is the optical parameter of principal importance in photosignal generation since the photon energies used here are greater than the silicon intrinsic bandgap. The results presented here indicate clearly the important features in optimizing surface plasmon enhancement in photodetection both above and below the silicon absorption edge.

Systemic oxidative-nitrosative-inflammatory stress during acute exercise in hypoxia; implications for microvascular oxygenation and aerobic capacity

New Findings

What is the central question of this study?Exercise performance is limited during hypoxia by a critical reduction in cerebral and skeletal tissue oxygenation. To what extent an elevation in systemic free radical accumulation contributes to microvascular deoxygenation and the corresponding reduction in maximal aerobic capacity remains unknown.What is the main finding and its importance?We show that altered free radical metabolism is not a limiting factor for exercise performance in hypoxia, providing important insight into the fundamental mechanisms involved in the control of vascular oxygen transport.

Exercise performance in hypoxia may be limited by a critical reduction in cerebral and skeletal tissue oxygenation, although the underlying mechanisms remain unclear. We examined whether increased systemic free radical accumulation during hypoxia would be associated with elevated microvascular deoxygenation and reduced maximal aerobic capacity (). Eleven healthy men were randomly assigned single-blind to an incremental semi-recumbent cycling test to determine  in both normoxia (21% O_{2) and hypoxia (12% O2) separated by a week. Continuous-wave near-infrared spectroscopy was employed to monitor concentration changes in oxy- and deoxyhaemoglobin in the left vastus lateralis muscle and frontal cerebral cortex. Antecubital venous blood samples were obtained at rest and at  to determine oxidative (ascorbate radical by electron paramagnetic resonance spectroscopy), nitrosative (nitric oxide metabolites by ozone-based chemiluminescence and 3-nitrotyrosine by enzyme-linked immunosorbent assay) and inflammatory stress biomarkers (soluble intercellular/vascular cell adhesion 1 molecules by enzyme-linked immunosorbent assay). Hypoxia was associated with increased cerebral and muscle tissue deoxygenation and lower  (P < 0.05 versus normoxia). Despite an exercise-induced increase in oxidative–nitrosative–inflammatory stress, hypoxia per se did not have an additive effect (P > 0.05 versus normoxia). Consequently, we failed to observe correlations between any metabolic, haemodynamic and cardiorespiratory parameters (P > 0.05). Collectively, these findings suggest that altered free radical metabolism cannot explain the elevated microvascular deoxygenation and corresponding lower  in hypoxia. Further research is required to determine whether free radicals when present in excess do indeed contribute to the premature termination of exercise in hypoxia.}

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.

Nuclear ARRB1 induces pseudohypoxia and cellular metabolism reprogramming in prostate cancer

Tumour cells sustain their high proliferation rate through metabolic reprogramming, whereby cellular metabolism shifts from oxidative phosphorylation to aerobic glycolysis, even under normal oxygen levels. Hypoxia-inducible factor 1A (HIF1A) is a major regulator of this process, but its activation under normoxic conditions, termed pseudohypoxia, is not well documented. Here, using an integrative approach combining the first genome-wide mapping of chromatin binding for an endocytic adaptor, ARRB1, both in vitro and in vivo with gene expression profiling, we demonstrate that nuclear ARRB1 contributes to this metabolic shift in prostate cancer cells via regulation of HIF1A transcriptional activity under normoxic conditions through regulation of succinate dehydrogenase A (SDHA) and fumarate hydratase (FH) expression. ARRB1-induced pseudohypoxia may facilitate adaptation of cancer cells to growth in the harsh conditions that are frequently encountered within solid tumours. Our study is the first example of an endocytic adaptor protein regulating metabolic pathways. It implicates ARRB1 as a potential tumour promoter in prostate cancer and highlights the importance of metabolic alterations in prostate cancer.

Zero-Reflectance Metafilms for Optimal Plasmonic Sensing

An ultrathin layer of metasurface that almost completely annihilates the reflection of light (>99.5%) over a wide range of incident angles (>80°) is experimentally demonstrated. Such zero-reflectance metafilms exhibit optimal performance for plasmonic sensing, since their sensitivity to changes of local refractive index is far superior to films of nonzero reflectance. Since both main detection mechanisms tracking intensity changes and wavelength shifts are improved, zero-reflectance metafilms are optimal for localized surface plasmon resonance molecular sensing. Such nanostructures have significant opportunities in many areas, including enhanced light harvesting as well as in developing high-performance molecular sensors for a wide range of chemical and biomedical applications.

A potentiometric biosensor for rapid on-site disease diagnostics

Quantitative point-of-care (POC) devices are the next generation for serological disease diagnosis. Whilst pathogen serology is typically performed by centralized laboratories using Enzyme-Linked ImmunoSorbent Assay (ELISA), faster on-site diagnosis would infer improved disease management and treatment decisions. Using the model pathogen Bovine Herpes Virus-1 (BHV-1) this study employs an extended-gate field-effect transistor (FET) for direct potentiometric serological diagnosis. BHV-1 is a major viral pathogen of Bovine Respiratory Disease (BRD), the leading cause of economic loss ($2 billion annually in the US only) to the cattle and dairy industry. To demonstrate the sensor capabilities as a diagnostic tool, BHV-1 viral protein gE was expressed and immobilized on the sensor surface to serve as a capture antigen for a BHV-1-specific antibody (anti-gE), produced in cattle in response to viral infection. The gE-coated immunosensor was shown to be highly sensitive and selective to anti-gE present in commercially available anti-BHV-1 antiserum and in real serum samples from cattle with results being in excellent agreement with Surface Plasmon Resonance (SPR) and ELISA. The FET sensor is significantly faster than ELISA (<10 min), a crucial factor for successful disease intervention. This sensor technology is versatile, amenable to multiplexing, easily integrated to POC devices, and has the potential to impact a wide range of human and animal diseases.

Distribution, occurrence and biotoxin composition of the main shellfish toxin producing microalgae within European waters: A comparison of methods of analysis

Harmful algal blooms (HABs) are a natural global phenomena emerging in severity and extent. Incidents have many economic, ecological and human health impacts. Monitoring and providing early warning of toxic HABs are critical for protecting public health. Current monitoring programmes include measuring the number of toxic phytoplankton cells in the water and biotoxin levels in shellfish tissue. As these efforts are demanding and labour intensive, methods which improve the efficiency are essential. This study compares the utilisation of a multitoxin surface plasmon resonance (multitoxin SPR) biosensor with enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA) and analytical methods such as high performance liquid chromatography with fluorescence detection (HPLC-FLD) and liquid chromatography-tandem mass spectrometry (LC-MS/MS) for toxic HAB monitoring efforts in Europe. Seawater samples (n = 256) from European waters, collected 2009-2011, were analysed for biotoxins: saxitoxin and analogues, okadaic acid and dinophysistoxins 1/2 (DTX1/DTX2) and domoic acid responsible for paralytic shellfish poisoning (PSP), diarrheic shellfish poisoning (DSP) and amnesic shellfish poisoning (ASP), respectively. Biotoxins were detected mainly in samples from Spain and Ireland. France and Norway appeared to have the lowest number of toxic samples. Both the multitoxin SPR biosensor and the RNA microarray were more sensitive at detecting toxic HABs than standard light microscopy phytoplankton monitoring. Correlations between each of the detection methods were performed with the overall agreement, based on statistical 2 × 2 comparison tables, between each testing platform ranging between 32% and 74% for all three toxin families illustrating that one individual testing method may not be an ideal solution. An efficient early warning monitoring system for the detection of toxic HABs could therefore be achieved by combining both the multitoxin SPR biosensor and RNA microarray.

Novel microporous silicates and mesoporous MCM materials derivatised with inorganic and organometallic complexes

Os materiais microporosos e mesoporosos são potenciais catalisadores heterogéneos. Os zeólitos e outros materiais microporosos do tipo zeolítico tradicionais, têm átomos tetracoordenados no esqueleto. Nos últimos anos, um vasto número de titanossilicatos contendo Ti(IV) hexacoordenado e Si(IV) tetracoordenado, com estruturas tridimensionais, têm sido alvo de grande interesse. Um dos objectivos desta tese foi preparar silicatos microporosos, contendo átomos metálicos com número de coordenação superior a quatro, e possuindo quer novas estruturas quer propriedades físicas e químicas interessantes. Neste contexto, foi preparado um novo ítriossilicato de sódio, AV-1, análogo do raro mineral montregianite, Na4K2Y2Si16O38·10H2O. Este material é o primeiro sólido microporoso que contem quantidades estequiométricas de sódio (e ítrio) no esqueleto. Foi, também, sintetizado um silicato de cério, AV-5, análogo estrutural do mineral montregianite com potencial aplicação em optoelectrónica. Nesta tese é, ainda, descrita a síntese e caracterização estrutural de um silicato de cálcio hidratado, AV-2, análogo do raro mineral rhodesite (K2Ca4Na2Si16O38.12H2O). Na continuação do trabalho desenvolvido em Aveiro na síntese de novos titanossilicatos surgiu o interesse de preparar novos zirconossilicatos microporosos por síntese hidrotérmica. Foram preparados dois novos materiais análogos dos minerais petarasite Na5Zr2Si3O18(Cl,OH)·2H2O (AV-3) e kostylevite, K2Si3O9·H2O (AV-8). Foram, também, obtidos análogos sintéticos dos minerais parakeldyshite e wadeite, por calcinação a alta temperatura de AV-3 e de umbite sintética. A heterogeneização de complexos organometálicos na superfície de materiais mesoporosos do tipo M41S permite associar a grande actividade catalítica e a presença de sítios activos localizados típicos dos complexos organometálicos, com a robustez e fácil separação, características dos materiais mesoporosos siliciosos. Nesta dissertação relata-se a derivatização dos materiais MCM-41 e MCM-48 através da reacção de [SiMe2{(h5-C5H4)2}]Fe e [SiMe2{(h5-C5H4)2}]TiCl2 com os grupos silanol das superfícies mesoporosas. Os materiais MCMs derivatizados com ansa-titanoceno foram testados na epoxidação de cicloocteno a 323 K na presença de hidrogenoperóxido de t-butilo. Estudou-se a heterogeneização dos sais de complexos com ligação metal-metal [Mo2(MeCN)10][BF4]4, [Mo2(m-O2CMe)2(MeCN)6][BF4]2 e [Mo2(m- O2CMe)2(dppa)2(MeCN)2][BF4]2 via imobilização nos canais do MCM-41. A imobilização dos catalisadores homogéneos na superfície do MCM-41 envolve a saída dos ligandos nitrilo lábeis, preferencialmente em posição axial, através da reacção com os grupos Si-OH da sílica. Verificou-se que a ligação Mo-Mo se mantém intacta nos produtos finais. É provável que estes materiais sejam eficientes catalisadores heterogéneos em reacções de polimerização. As técnicas de caracterização utilizadas nesta tese foram a difracção de raios-X de pós, a microscopia electrónica de varrimento, a espectroscopia de ressonância magnética nuclear do estado sólido (núcleos 13C, 23Na e 29Si), as espectroscopias de Raman e infravermelho com transformadas de Fourier, as análises termogravimétricas e as análises de adsorção de água e azoto.

Caracterização e transformação de Lenhosulfonatos de Eucalyptus globulus

Os lenhosulfonatos representam um sub-produto formado durante o cozimento ao sulfito ácido, sendo queimados para a regeneração da base e recuperação de energia. No entanto, os lenhosulfonatos são também considerados uma importante matéria-prima para a produção de vários produtos de valor acrescentado. Os objectivos principais deste trabalho foram contribuir para uma melhor compreensão sobre a caracterização química e estrutural dos lenhosulfonatos do Eucalyptus globulus, assim como, para complementar a informação disponível sobre a síntese e a caracterização estrutural e térmica de materiais poliméricos obtidos a partir de compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos. O licor de cozimento ao sulfito foi analisado em termos do teor de cinzas, extractáveis, compostos voláteis, açúcares e lenhosulfonatos. O teor de cinzas e açúcares no licor de cozimento é muito elevado, tendo sido necessário purificar o mesmo (2,8-13,8 % e 3,2-9,1 %, respectivamente). A análise dos açúcares mostrou uma quantidade considerável de pentoses, sendo o açúcar predominante a xilose. Os lenhosulfonatos foram purificados, isolados e caracterizados por química molhada (titulação potenciométrica e oxidação com permanganato), análise elementar, espectroscopia de ultravioleta/visível (UV/Vis), espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier (FTIR), espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão (RMN de 1H) e carbono (RMN de 13C), espectrometria de massa de ionização por electrospray (ESI-MS), cromatografia de permeação em gel (GPC), termogavimetria (TGA) e calorimetria diferencial de varrimento (DSC). Os lenhosulfonatos são constituídos principalmente por unidades S, são parcialmente sulfonados e possuem um peso molecular relativamente baixo (Mw = 1250-2400 Da). A ruptura das ligações β-O-4 e α-O-4 da lenhina do Eucalyptus globulus após cozimento ao sulfito ácido originam olígomeros de baixo peso molecular cuja estrutura foi elucidada por RMN 1D/2D e ESI-MS. A degradação térmica dos lenhosulfonatos apresentou dois máximos de degradação a 188-190ºC e a 315-380ºC. As curvas de DSC mostraram um pico endotérmico para temperaturas inferiores a 130ºC e um pico exotérmico a 300-500ºC. Os lenhosulfonatos foram despolimerizados na presença de oxigénio molecular em meio alcalino. Os produtos de oxidação principais foram o aldeído siríngico, a vanilina, o ácido vanílico e o ácido siríngico. A adição do catalisador (sal de cobre) promoveu a oxidação dos lenhosulfonatos aumentando o rendimento dos aldeídos aromáticos (< 50%). A presença de açúcares nos lenhosulfonatos teve um efeito negativo no rendimento dos produtos de oxidação principais. Alguns compostos modelo dos produtos de oxidação dos lenhosulfonatos foram polimerizados por poliadição (catiónica e radicalar) e policondensação. Os monómeros e os polímeros foram caracterizados por espectroscopia de infravermelho de transformada de Fourier e reflectância total atenuada (FTIR-ATR), RMN em solução e no estado sólido, UV/Vis no estado sólido, GPC, difracção de raios-X (XRD), TGA e DSC. Os compostos modelo estudados foram os estirenos metoxi-substituídos (p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno) e os ácidos hidroxi aromáticos metoxi-substituídos (ácido vanílico e ácido siríngico). O 3,4-dimetoxiestireno foi ainda copolimerizado com o éter isobutil vinílico e os seus copolímeros foram desmetilados, assim como, o poli(p-metoxiestireno) e o poli(3,4-dimetoxiestireno). A polimerização catiónica do p-metoxiestireno e 3,4-dimetoxiestireno é mais rápida e mais completa do que a polimerização radicalar produzindo polímeros com pesos moleculares elevados. O poli(p-metoxiestireno) (Mw = 235000 Da) possui um peso molecular maior do que o poli(3,4-dimetoxiestireno) (Mw = 18800 Da). A estabilidade térmica e a temperatura de transição vítrea diminuiram com a presença do segundo grupo metoxilo. A desmetilação dos homopolímeros foi bem sucedida, tendo sido corroborada por FTIR-ATR e RMN. A policondensação do ácido siríngico foi dificultada pela presença do segundo grupo metoxilo, tendo sido necessário adicionar uma maior quantidade do agente de condensação devido a factores estéricos. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) são insolúveis na maior parte dos solventes orgânicos, sendo parcialmente solúveis em clorofórmio, ácido triflúoracético, 1,1,2,2- tetracloroetano, dimetilsulfóxido, tetrahidrofurano, N,N’-dimetilformamida e 1,1,1,3,3,3-hexaflúor-2-propanol. A estabilidade térmica diminuiu com a presença do segundo grupo metoxilo e os dois polímeros não exibiram temperatura de transição vítrea. O poli(ácido vanílico) e poli(ácido siríngico) apresentaram uma estrutura muito cristalina (grau de cristalinidade 70% e 50%, respectivamente). O segundo grupo metoxilo aumentou o valor da absorvância, mas a forma do espectro de UV/Vis foi similar. A polimerização catiónica do éter isobutil vinílico resultou na produção de um polímero muito viscoso com peso molecular elevado (Mw = 20400 Da). A degradação térmica do polímero ocorreu em várias gamas de temperatura e foi completa (0% de resíduo a 800ºC). A copolimerização catiónica do 3,4-dimetoxiestireno com o éter isobutil vinílico foi realizada com proporções diferentes 80:20, 50:50 e 20:80. Os copolímeros apresentaram uma viscosidade elevada e um peso molecular baixo (Mw = 2000-4000 Da) que aumentou com a quantidade de éter isobutil vinílico. A degradação térmica dos copolímeros ocorreu também em várias gamas de temperatura, sendo a sua degradação completa (0,9-1,5% de resíduo a 800ºC). A desmetilação dos copolímeros não foi bem sucedida, tendo sido confirmada por FTIR-ATR e RMN.

Síntese e transformações de compostos do tipo pirazol e 1,2,3-triazol

Compostos do tipo pirazol e 1,2,3-triazol encontram-se presentes em inúmeras moléculas biologicamente ativas. Muitos fármacos atualmente comercializados ou em fase de estudos clínicos contêm na sua estrutura base núcleos de pirazol ou 1,2,3-triazol. Por isso, estes compostos têm sido alvo de intensa pesquisa na procura de novas moléculas com potenciais aplicações medicinais e agroquímicas. Nesta dissertação são descritas novas vias de síntese de novos compostos do tipo pirazol e 1,2,3-triazol. No primeiro capítulo apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre a atividade biológica, ocorrência natural e métodos de síntese de pirazóis e seus derivados. O segundo capítulo foca-se na síntese de (E)-2-estiril-3-halo-4H-cromen-4-onas e sua transformação em 3(5)-aril-5(3)-[2-(2-hidroxifenil)-2-oxoetil-1H-pirazóis. Em primeiro lugar faz-se uma revisão bibliográfica sobre as (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas e a sua semelhança estrutural com as flavonas, a sua importância e ocorrência natural e métodos de síntese. São ainda abordadas as metodologias mais utilizadas para a síntese de derivados halogenados de (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas. Seguidamente são apresentados e discutidos os resultados da síntese de (E)-3-bromo-2-estiril-4H-cromen-4-onas através da reação de 5-aril-3-hidroxi-1-(2-hidroxifenil)penta-2,4-dien-1-onas com NBS, sob irradiação com micro-ondas, tendo sido estabelecida uma nova metodologia mais eficiente, rápida e regiosseletiva para a síntese de (E)-3-bromo-2-estiril-4H-cromen-4-onas, na ausência de solvente. São igualmente apresentados os resultados da síntese regiosseletiva de (E)-2-estiril-3-iodo-4H-cromen-4-onas através da reação de 5-aril-3-hidroxi-1-(2-hidroxifenil)penta-2,4-dien-1-onas com NIS e TFA/TFAA/NaOAc. Em ambos os métodos de halogenação desenvolvidos, obtiveram-se como produtos secundários as (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas correspondentes. Seguidamente é apresentado o estudo da reação de (E)-2-estiril-3-halo-4H-cromen-4-onas com hidrato de hidrazina. Ao contrário do esperado, obtiveram-se os 3(5)-aril-5(3)-[2-(2-hidroxifenil)-2-oxoetil-1H-pirazóis através de uma reação de adição conjugada 1,6-, de hidrazina à posição C- da cromona com consequente abertura do anel, seguida de uma adição conjugada 1,4- intramolecular. Estes resultados demonstraram que esta reação segue um mecanismo diferente daquele que está reportado na literatura para a reação de (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas não halogenadas em C-3 com hidrato de hidrazina. No terceiro capítulo apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre as propriedades, aplicações e metodologias de síntese de 1,2,3-triazóis, dando mais relevância às reações de cicloadição 1,3-dipolar e de “click-chemistry”. Seguidamente descrevem-se os resultados obtidos na reação de (E)-5(3)-estiril-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis com a azida de sódio para obtenção de díades pirazol-1,2,3-triazol. No entanto esta reação deu origem a novos 5(3)-(2-aril-2-azidoetil)-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis e não às díades pirazol-1,2,3-triazol pretendidas. Como o resultado não foi o esperado, desenvolveu-se outra metodologia de síntese, que envolve, num primeiro, a reação de (E)-2-estiril-4H-cromen-4-onas com azida de sódio, dando origem a 5(4)-aril-4(5)-(cromon-2-il)-1H-1,2,3-triazóis. No passo seguinte, efetuou-se a reação destes compostos com hidrato de hidrazina tendo ocorrido a formação das diades 5(4)-aril-4(5)-[3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazol-5(3)-il]-1H-1,2,3-triazol pretendidas. No quarto capítulo, estudou-se a reatividade de (E)-5(3)-estiril-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis em reações de iodação com vista à obtenção de 4-iodo-1H-pirazóis. Apresenta-se uma breve revisão bibliográfica sobre os diferentes métodos descritos na literatura para a iodação de compostos heterocíclicos aromáticos, nomeadamente para a obtenção de 4-iodo-1H-pirazóis. Dos vários sistemas de iodação testados, o sistema oxidativo I2/CAN foi o que deu melhores resultados na iodação dos (E)-5(3)-estiril-3(5)-(2-hidroxifenil)-1H-pirazóis. Este método permitiu iodar a posição C-4 do núcleo de pirazol apenas para os derivados que possuem o grupo nitro ou o átomo de cloro no anel do grupo estirilo, obtendo-se o 3(5)-(2-hidroxifenil)-4-iodo-5(3)-(4-nitrofenil)vinil-1H-pirazol e o 5(3)-(4-clorofenil)vinil)-3(5)-(2-hidroxi-5-iodofenil)-4-iodo-1H-pirazol; no entanto, para os restantes derivados, verificou-se apenas a iodação nas posições ativadas do anel fenólico. Todos os novos compostos sintetizados foram caraterizados estruturalmente recorrendo a estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear (RMN) mono e bidimensionais. Sempre que possível, para uma caraterização estrutural mais completa, foram efetuados espetros de massa (EM) e análises elementares ou espetros de massa de alta resolução (EMAR) para todos os novos compostos sintetizados. Finalmente são apresentadas as conclusões gerais deste trabalho e perspetivas futuras.

NMR in the characterization of heavy residual procedural streams

The main objective of this work was to monitor a set of physical-chemical properties of heavy oil procedural streams through nuclear magnetic resonance spectroscopy, in order to propose an analysis procedure and online data processing for process control. Different statistical methods which allow to relate the results obtained by nuclear magnetic resonance spectroscopy with the results obtained by the conventional standard methods during the characterization of the different streams, have been implemented in order to develop models for predicting these same properties. The real-time knowledge of these physical-chemical properties of petroleum fractions is very important for enhancing refinery operations, ensuring technically, economically and environmentally proper refinery operations. The first part of this work involved the determination of many physical-chemical properties, at Matosinhos refinery, by following some standard methods important to evaluate and characterize light vacuum gas oil, heavy vacuum gas oil and fuel oil fractions. Kinematic viscosity, density, sulfur content, flash point, carbon residue, P-value and atmospheric and vacuum distillations were the properties analysed. Besides the analysis by using the standard methods, the same samples were analysed by nuclear magnetic resonance spectroscopy. The second part of this work was related to the application of multivariate statistical methods, which correlate the physical-chemical properties with the quantitative information acquired by nuclear magnetic resonance spectroscopy. Several methods were applied, including principal component analysis, principal component regression, partial least squares and artificial neural networks. Principal component analysis was used to reduce the number of predictive variables and to transform them into new variables, the principal components. These principal components were used as inputs of the principal component regression and artificial neural networks models. For the partial least squares model, the original data was used as input. Taking into account the performance of the develop models, by analysing selected statistical performance indexes, it was possible to conclude that principal component regression lead to worse performances. When applying the partial least squares and artificial neural networks models better results were achieved. However, it was with the artificial neural networks model that better predictions were obtained for almost of the properties analysed. With reference to the results obtained, it was possible to conclude that nuclear magnetic resonance spectroscopy combined with multivariate statistical methods can be used to predict physical-chemical properties of petroleum fractions. It has been shown that this technique can be considered a potential alternative to the conventional standard methods having obtained very promising results.

Estudos de síntese e transformação de cromonas e 4-quinolonas

Esta dissertação está dividida em duas partes. Na primeira parte reportam-se métodos de síntese de (E)-3-estirilflavonas e (E)/(Z)-2-aril- 4-cloro-3-estiril-2H-cromenos e estudos de ciclização das (E)-3- estirilflavonas em 5-arilbenzo[c]xantonas. Na segunda parte desenvolveram-se novas rotas de síntese de (E)-2-aril-3-estiril-4- quinolonas e posterior transformação em 5-fenil-12- metilbenzo[c]acridonas e 2,4-diarilfuro[3,2-c]quinolinas. Nesta parte estudou-se também a transformação de 2-aril-4-cloro-1,2-dihidroquinolina- 1,3-dicarbaldeídos em (E)/(Z)-2-aril-4-cloro-3-estiril-1,2- di-hidroquinolina-1-carbaldeídos. A síntese de novos derivados de (E)-3-estirilflavonas, abordada na primeira parte desta dissertação, envolveu estudos de otimização da reação de bromação seguida de ciclização de 3-aril-1-(2- hidroxiaril)propano-1,3-dionas/3-aril-3-hidroxi-1-(2-hidroxiaril)prop-2- en-1-onas em 3-bromoflavonas e o desenvolvimento de uma nova rota de síntese de 3-metilflavonas. As 3-metilflavonas foram sujeitas a bromação e seguidamente transformadas em sais de fosfónio antes de serem utilizadas na síntese de (E)-3-estirilflavonas via reação de Wittig. As 3-bromoflavonas foram também usadas na síntese de (E)-3- estirilflavonas via reação de Heck. A síntese de novos derivados de (E)/(Z)-2-aril-4-cloro-3-estiril-2H-cromenos, via reação de Wittig, envolveu a síntese e formilação de flavanonas. A última transformação reportada na primeira parte desta dissertação é a síntese de 5-arilbenzo[c]xantonas por reação de eletrociclização seguida de oxidação de (E)-3-estirilflavonas. Na segunda parte desta dissertação são estudadas duas vias de síntese de 2-aril-1-metil-4-quinolonas. A primeira via de síntese envolve a síntese de N-(2-acetilfenil)benzamidas, sua ciclização em 4-quinolonas seguida de metilação destas. A segunda via envolve a metilação e ciclização de N-(2-acetilfenil)benzamidas obtendo-se, num só passo, as 2-aril-1-metil-4-quinolonas. Posterior iodação das 2-aril-1-metil-4- quinolonas e subsequente reação de Heck das 2-aril-3-iodo-1-metil-4- quinolonas com estirenos comerciais possibilitaram a síntese de (E)-2- aril-3-estiril-1-metil-4-quinolonas. Estudos de eletrociclização seguidos de oxidação das (E)-2-aril-3-estiril-1-metil-4-quinolonas utilizando uma lâmpada de UV de mercúrio de alta pressão possibilitou a síntese de 5- fenil-12-metilbenzo[c]acridonas, enquanto que o aquecimento em refluxo de 1,2,4-triclorobenzeno deu origem a 2,4-diarilfuro[3,2- c]quinolinas. Nesta segunda parte aborda-se também a síntese de 2-aril-4-cloro-1,2- di-hidroquinolina-1,3-dicarbaldeídos, a partir da formilação de 2-aril- 2,3-di-hidro-4-quinolonas e a sua transformação em (E)/(Z)-2-aril-4- cloro-3-estiril-1,2-di-hidroquinolina-1-carbaldeídos por reação de Wittig. Todos os compostos sintetizados foram caracterizados por espectroscopia de ressonância magnética nuclear de protão e carbono 13C, espectros bidimensionais de correlação heteronuclear (HMBC e HSQC) e, nalguns casos espectros de efeito nuclear Overhauser (NOESY). Os novos produtos foram igualmente caracterizados por espectrometria de massa e sempre que possível análise elementar ou espectrometria de massa de alta resolução.

4-Quinolonas: novos métodos de síntese e transformação em acridonas

A presente dissertação é constituída por quatro capítulos, organizados em introdução geral, discussão do trabalho desenvolvido na síntese de quinolin-4(1H)-onas e acridonas, caracterização estrutural dos novos compostos sintetizados e parte experimental. No primeiro capítulo desta dissertação é apresentada uma breve revisão bibliográfica de quinolin-4(1H)-onas e acridonas, abrangendo a respectiva nomenclatura, ocorrência natural e métodos de síntese. O segundo capítulo engloba estudos da reactividade de (E)-2-estirilquinolin-4(1H)-onas e (E)-N-(2-acetilfenil)-3-arilacrilamidas como dienófilos com o-benzoquinodimetanos, gerados in situ a partir da extrusão quelotrópica do dióxido de enxofre de 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofenos. Estes estudos conduziram à obtenção de novas 2-(3-aril-1,2,3,4-tetra-hidronaftalen-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-onas e análogos não substituídos no átomo de azoto N1 da quinolin-4(1H)-ona. Em seguida foram estudadas as reações de desidrogenação e fotociclização dos compostos obtidos anteriormente, com vista à obtenção de novas 2-(3-arilnaftalen-2-il)-1-metilquinolin-4(1H)-onas, análogos não substituídos em N1 e de novas acridonas. No segundo capítulo também é abordada a síntese dos compostos precursores, as (E)-N-(2-acetilfenil)-3-arilacrilamidas, as (E)-2-estirilquinolin-4(1H)-onas e os 2,2-dióxidos de 1,3-di-hidrobenzo[c]tiofenos. No terceiro capitulo é discutida a caracterização estrutural das novas quinolin-4(1H)-onas e acridona sintetizadas, com estudos de espetroscopia de ressonância magnética nuclear 1D (1H e 13C) e 2D (homo- e heteronuclear). O quarto capítulo inclui toda a parte experimental, contendo os procedimentos optimizados para a síntese e purificação destes compostos, e a caracterização estrutural dos novos compostos sintetizados.