Synthesis, Oxidation and Photophysics of Perfluoroborated Tetrakis(pyrophosphito)diplatinate (II) and Density Functional Theory (DFT) Study of Electrochemical CO2 Reduction by Mn Catalysts

In the first part of this thesis (Chapters I and II), the synthesis, characterization, reactivity and photophysics of per(difluoroborated) tetrakis(pyrophosphito)diplatinate(II) (Pt(POPBF₂)) are discussed. Pt(POP-BF₂) was obtained by reaction of [Pt₂(POP)₄]^4- with neat boron trifluoride diethyl etherate (BF₃·Et₂O). While Pt(POP-BF₂) and [Pt₂(POP)₄]^4- have similar structures and absorption spectra, they differ in significant ways. Firstly, as discussed in Chapter I, the former is less susceptible to oxidation, as evidenced by the reversibility of its oxidation by I2. Secondly, while the first excited triplet states (T₁) of both Pt(POP-BF₂) and [Pt₂(POP)₄]^4- exhibit long lifetimes (ca. 0.01 ms at room temperature) and substantial zero-field splitting (40 cm^-1), Pt(POP-BF₂) also has a remarkably long-lived (1.6 ns at room temperature) singlet excited state (S₁), indicating slow intersystem crossing (ISC). Fluorescence lifetime and quantum yield (QY) of Pt(POP-BF₂) were measured over a range of temperatures, providing insight into the slow ISC process. The remarkable spectroscopic and photophysical properties of Pt(POP-BF₂), both in solution and as a microcrystalline powder, form the theme of Chapter II.

In the second part of the thesis (Chapters III and IV), the electrochemical reduction of CO₂ to CO by [(L)Mn(CO)₃]^- catalysts is investigated using density functional theory (DFT). As discussed in Chapter III, the turnover frequency (TOF)-limiting step is the dehydroxylation of [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]^0/- (bpy = bipyridine) by trifluoroethanol (TFEH) to form [(bpy)Mn(CO)₄]^+/0. Because the dehydroxylation of [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]^- is faster, maximum TOF (TOF_max) is achieved at potentials sufficient to completely reduce [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]⁰ to [(bpy)Mn(CO)₃(CO₂H)]^-. Substitution of bipyridine with bipyrimidine reduces the overpotential needed, but at the expense of TOF_max. In Chapter IV, the decoration of the bipyrimidine ligand with a pendant alcohol is discussed as a strategy to increase CO₂ reduction activity. Our calculations predict that the pendant alcohol acts in concert with an external TFEH molecule, the latter acidifying the former, resulting in a ~ 80,000-fold improvement in the rate of TOF-limiting dehydroxylation of [(L)Mn(CO)₃(CO₂H)]^-.

An interesting strategy for the co-upgrading of light olefins and alkanes into heavier alkanes is the subject of Appendix B. The proposed scheme involves dimerization of the light olefin, operating in tandem with transfer hydrogenation between the olefin dimer and the light alkane. The work presented therein involved a Ta olefin dimerization catalyst and a silica-supported Ir transfer hydrogenation catalyst. Olefin dimer was formed under reaction conditions; however, this did not undergo transfer hydrogenation with the light alkane. A significant challenge is that the Ta catalyst selectively produces highly branched dimers, which are unable to undergo transfer hydrogenation.

Physiology of nitrate reduction in Pseudomonas aeruginosa. [Translation from: Z.allg.Mikrobiol. 13, 83-94, 1973.]

Pseudomonas aeruginosa has for some time been known as a denitrifier. Pseudomonas aeruginosa was chosen for further studies, because P. aeruginosa occurs abundantly in Plusssee and moreover there are contradictory assertions on the gas products of denitrification by this bacteria. In experimental research the pattern of growth and gas production of Pseudomonas aeruginosa on nutrient broth was studied.

For the determination of iron (II) and total iron with 2,2'-dipyridyl in mineral waters. Reduction of iron (III) with ascorbic acid [Translation from: Zeitschrift fur Analytische Chemie 209 340-341, 1965]

The determination of bi- and trivalent iron in proximity, in mineral waters has gained in significance, on biological and technical grounds. This short paper describes the procedure of the determination of bivalent iron and total iron in a water sample.

Electrocatalytic reduction of dioxygen at chemically modified electrodes

The kinetics of the reduction of O₂ by Ru(NH₃)₆⁺² as catalyzed by cobalt(II) tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin are described both in homogeneous solution and when the reactants are confined to Nafion coatings on graphite electrodes. The catalytic mechanism is determined and the factors that can control the total reduction currents at Nafion-coated electrodes are specified. A kinetic zone diagram for analyzing the behavior of catalyst-mediator-substrate systems at polymer coated electrodes is presented and utilized in identifying the current-limiting processes. Good agreement is demonstrated between calculated and measured reduction currents at rotating disk electrodes. The experimental conditions that will yield the optimum performance of coated electrodes are discussed, and a relationship is derived for the optimal coating thickness.

The relation between the reduction potentials of adsorbed and unadsorbed cobalt(III) tetrakis(4-N-methylpyridyl)porphyrin and those where it catalyzes the electroreduction of dioxygen is described. There is an unusually large change in the formal potential of the Co(III) couple upon the adsorption of the porphyrin on the graphite electrode surface. The mechanism in which the (inevitably) adsorbed porphyrin catalyzes the reduction of O₂ is in accord with a general mechanistic scheme proposed for most monomeric cobalt porphyrins.

Four new dimeric metalloporphyrins (prepared in the laboratory of Professor C. K. Chang) have the two porphyrin rings linked by an anthracene bridge attached to meso positions. The electrocatalytic behavior of the diporphyrins towards the reduction of O₂ at graphite electrodes has been examined for the following combination of metal centers: Co-Cu, Co-Fe, Fe-Fe, Fe-H₂. The Co-Cu diporphyrin catalyzes the reduction of O₂ to H₂O₂ but no further. The other three catalysts all exhibit mixed reduction pathways leading to both H₂O₂ and H₂O. However, the pathways that lead to H₂O do not involve H₂O₂ as an intermediate. A possible mechanistic scheme is offered to account for the observed behavior.

Proton-Coupled Reduction of N2 Facilitated by Molecular Fe Complexes

The activation of Fe-coordinated N₂ via the formal addition of hydrogen atom equivalents is explored in this thesis. These reactions may occur in nitrogenase enzymes during the biological conversion of N₂ to NH₃. To understand these reactions, the N₂ reactivity of a series of molecular Fe(N₂) platforms is investigated. A trigonal pyramidal, carbon-ligated Fe^I complex was prepared that displays a similar geometry to that of the resting state 'belt' Fe atoms of nitrogenase. Upon reduction, this species was shown to coordinate N₂, concomitant with significant weakening of the C-Fe interaction. This hemilability of the axial ligand may play a critical role in mediating the interconversion of Fe(N_xH_y) species during N₂ conversion to NH₃. In fact, a trigonal pyramidal borane-ligated Fe complex was shown to catalyze this transformation, generating up to 8.49 equivalents of NH₃. To shed light on the mechanistic details of this reaction, protonation of a borane-ligated Fe(N₂) complex was investigated and found to give rise to a mixture of species that contains an iron hydrazido(2-) [Fe(NNH₂)] complex. The identification of this species is suggestive of an early N-N bond cleavage event en route to NH₃ production, but the highly-reactive nature of this complex frustrated direct attempts to probe this possibility. A structurally-analogous silyl-ligated Fe(N₂) complex was found to react productively with hydrogen atom equivalents, giving rise to an isolable Fe(NNH₂) species. Spectroscopic and crystallographic studies benefited from the enhanced stability of this complex relative to the borane analogue. One-electron reduction of this species initiates a spontaneous disproportionation reaction with an iron hydrazine [Fe(NH₂NH₂)] complex as the predominant reaction product. This transformation provides support for an Fe-mediated N₂ activation mechanism that proceeds via a late N-N bond cleavage. In hopes of gaining more fundamental insight into these reactions, a series of Fe(CN) complexes were prepared and reacted with hydrogen-atom equivalents. Significant quantities of CH₄ and NH₃ are generated in these reactions as a result of complete C-N bond activation. A series of Fe(CNH_x) were found to be exceptionally stable and may be intermediates in these reactions. The stability of these compounds permitted collection of thermodynamic parameters pertinent to the unique N-H bonds. This data is comparatively discussed with the theoretically-predicted data of the N₂-derived Fe(NNH_x) species. Exceptionally-weak N-H bond enthalpies are found for many of these compounds, and sheds light on their short-lived nature and tendency to evolve H₂. As a whole, these works both establish and provide a means to understand Fe-mediated N₂ activation via the addition of hydrogen atom equivalents.

Disseminação de dados estatísticos georeferenciados através de WEB services e software livre.

Diferentes organizações públicas e privadas coletam e disponibilizam uma massa de dados sobre a realidade sócio-econômica das diferentes nações. Há hoje, da parte do governo brasileiro, um interesse manifesto de divulgar uma gama diferenciada de informações para os mais diversos perfis de usuários. Persiste, contudo, uma série de limitações para uma divulgação mais massiva e democrática, entre elas, a heterogeneidade das fontes de dados, sua dispersão e formato de apresentação pouco amigável. Devido à complexidade inerente à informação geográfica envolvida, que produz incompatibilidade em vários níveis, o intercâmbio de dados em sistemas de informação geográfica não é problema trivial. Para aplicações desenvolvidas para a Web, uma solução são os Web Services que permitem que novas aplicações possam interagir com aquelas que já existem e que sistemas desenvolvidos em plataformas diferentes sejam compatíveis. Neste sentido, o objetivo do trabalho é mostrar as possibilidades de construção de portais usando software livre, a tecnologia dos Web Services e os padrões do Open Geospatial Consortium (OGC) para a disseminação de dados espaciais. Visando avaliar e testar as tecnologias selecionadas e comprovar sua efetividade foi desenvolvido um exemplo de portal de dados sócio-econômicos, compreendendo informações de um servidor local e de servidores remotos. As contribuições do trabalho são a disponibilização de mapas dinâmicos, a geração de mapas através da composição de mapas disponibilizados em servidores remotos e local e o uso do padrão OGC WMC. Analisando o protótipo de portal construído, verifica-se, contudo, que a localização e requisição de Web Services não são tarefas fáceis para um usuário típico da Internet. Nesta direção, os trabalhos futuros no domínio dos portais de informação geográfica poderiam adotar a tecnologia Representational State Transfer (REST).

SAQUA - sistema baseado em software livre para análise do comportamento da qualidade das águas fluviais: aplicado à bacia do rio Paraíba do Sul.

Nesta dissertação foi desenvolvido o sistema SAQUA (Sistema para Análise da Qualidade das Águas Fluviais), que permite o acompanhamento dos dados de séries históricas de parâmetros físico-químicos para análise da qualidade de águas fluviais. A alimentação do sistema SAQUA se dá a partir do arquivo tipo texto gerado no Hidroweb, sistema de banco de dados hidrológicos da ANA (Agência Nacional de Águas), disponibilizado na internet. O SAQUA constitui uma interface que permite a análise espaço-temporal de parâmetros de qualidade da água específicos definidos pelo usuário. A interface foi construída utilizando o servidor de mapas Mapserver, as linguagens HTML e PHP, além de consultas SQL e o uso do servidor Web Apache. A utilização de uma linguagem dinâmica como o PHP permitiu usar recursos internos do Mapserver por meio de funções que interagem de forma mais flexível com códigos presentes e futuros, além de interagir com o código HTML. O Sistema apresenta como resultado a representação gráfica da série histórica por parâmetro e, em mapa, a localização das estações em análise também definidas pelo usuário, geralmente associadas a uma determinada região hidrográfica. Tanto na representação gráfica da série temporal quanto em mapa, são destacados a partir de código de cores a estação de monitoramento e a observação em que os limites estabelecidos na resolução CONAMA 357/05 não foi atendido. A classe de uso da resolução CONAMA que será usada na análise também pode ser definida pelo usuário. Como caso de estudo e demonstração das funções do SAQUA foi escolhida a bacia hidrográfica do rio Paraíba do Sul, localizada na região hidrográfica Atlântico Sudeste do Brasil. A aplicação do sistema demonstrou ótimos resultados e o potencial da ferramenta computacional como apoio ao planejamento e à gestão dos recursos hídricos. Ressalta-se ainda, que todo o sistema foi desenvolvido a partir de softwares disponibilizados segundo a licença GPL de software livre, ou seja, sem custo na aquisição de licenças, demonstrando o potencial da aplicação destas ferramentas no campo dos recursos hídricos.

Redução de carga orgânica recalcitrante de efluente de indústria gráfica por reação de fenton

A Casa da Moeda do Brasil (CMB) é uma empresa nacional, com mais de 300 anos de experiência na produção de valores e impressos de segurança. A produção de cédulas, realizada pelo Departamento de Cédulas (DECED), consiste de três etapas de impressão, off-set, calografia e tipografia, seguida de acabamento e embalagem semi-automatizado. A impressão calcográfica consome solução de limpeza, composta de soda cáustica e óleo sulfonado, para limpeza do cilindro de impressão, gerando um efluente líquido saturado de tinta. Este efluente apresenta baixa biodegradabilidade, apresentando uma relação DBO / DQO de aproximadamente 1:4. Em termos de tratabilidade, as estações de tratamento de efluentes (ETE) apresentam uma configuração convencional, por via biológica, demonstram pouca eficiência na degradação da matéria orgânica deste efluente. Com compostos recalcitrantes, torna-se necessária a inclusão de uma etapa terciária que permita sua degradação por via química, permitindo o descarte do efluente com características menos danosas ao ambiente. Neste trabalho, aplicou-se a reação de Fenton no efluente do DECED por sua capacidade de converter a matéria orgânica em gás carbônico e água ou, caso seja utilizado em pré-tratamentos, torna-os biodegradáveis. Foram estudadas diferentes condições para medir a influência de diferentes parâmetros na eficiência da reação. A reação de Fenton consiste na geração de radicais hidroxil (HO), por diferentes rotas, em quantidades suficientes para a degradação de matéria orgânica. Esses radicais são gerados a partir de peróxido de hidrogênio (H2O2) em reações com diferentes precursores como ozônio (O3), luz UV (ultravioleta), ultra-som e sais de ferro. No presente trabalho restringiu-se às reações com sais de ferro. Dentre os resultados obtidos, verificou-se o tempo mínimo para reação em 10 minutos. A relação entre íons ferro e peróxido de hidrogênio é menor do que a literatura normalmente sugere, 1:2, contra 1:3. Como a solução de sulfato ferroso é muito instável, passando os íons ferrosos a férricos, utilizou-se a adição direta do sal. Em escala industrial, a solução de sulfato ferroso deve ser preparada em poucas quantidades para que tenha baixo tempo de estocagem, a fim de não ser degradada. A temperatura, na faixa estudada (de 20C à 45C), é um parâmetro que tem pouca influência, pois a redução da eficiência da reação foi pequena (de 99,0% para 94,9%). O ferro utilizado na reação não se demonstrou uma nova fonte de transtornos para o ambiente. Nas condições utilizadas, a concentração de ferro residual esteve próxima ao limite permitido pela legislação no efluente tratado, necessitando apenas de alguns ajustes para a correção do problema

Modelling algal blooms

This is the final report on the research project to develop predictive models to quantify algal blooms in relation to environmental variables. The project's objectives were to develop models simulating the impact of vertical structure and mass transfer upon the dynamics of planktonic algae, including cyanobacteria, in lakes and reservoirs, to assess the potential of sedimentary phosphorus to sustain algal growth following reduction in external loading and to expand and enhance formulations to predict behaviour of blue-green algal populations and to incorporate these into a model software package. As part of the project a strategy for the production of a user-friendly packaging for the modelling software PROTEC-2 adaptable to particular sites was developed.

Biomolecule storage on non-modified thermoplastic microfluidic chip by ink-jet printing of ionogels

[EN] This paper reports an innovative technique for reagents storage in microfluidic devices by means of a one-step UV-photoprintable ionogel-based microarray on non-modified polymeric substrates. Although the ionogel and the ink-jet printing technology are well published, this is the first study where both are used for long-term reagent storage in lab-on-a-chip devices. This technology for reagent storage is perfectly compatible with mass production fabrication processes since pre-treatment of the device substrate is not necessary and inkjet printing allows for an efficient reagent deposition process. The functionality of this microarray is demonstrated by testing the release of biotin-647 after being stored for 1 month at room temperature. Analysis of the fluorescence of the ionogel-based microarray that contains biotin-647 demonstrated that 90% of the biotin-647 present was released from the ionogel-based microarray after pumping PBS 0.1% Tween at 37 °C. Moreover, the activity of biotin-647 after being released from the ionogel-based microarray was investigated trough the binding capability of this biotin to a microcontact printed chip surface with avidin. These findings pave the way for a novel, one-step, cheap and mass production on-chip reagents storage method applicable to other reagents such as antibodies and proteins and enzymes.