Novel furan polymer materials based on the reversible Diels-Alder reaction

A futura e inevitável escassez dos recursos fósseis, juntamente com o aumento imprevisível dos seus preços, levou, nas últimas décadas, a um aumento impressionante de iniciativas dedicadas não só à procura de fontes alternativas de fornecedores de energia, mas também de produtos químicos e polímeros a partir de fontes renováveis, em particular da biomassa vegetal. Entre estes, os polímeros derivados de monómeros furânicos constituem uma classe única de materiais cujas estruturas podem, em princípio, simular virtualmente os seus homólogos actualmente derivados de recursos fósseis. O anel furânico é uma estrutura heterocíclica com um carácter diénico pronunciado, o que torna-o um dieno particularmente apropriado para a reacção de Diels-Alder (DA) com dienófilos como a maleimida. Um dos aspectos mais relevantes da reacção de DA é a sua reversibilidade em função da temperatura, a qual permite que os aductos sejam facilmente revertidos nos seus precursores por aumento da temperatura (reacção de retro-DA). No caso específico da combinação furano-maleimida, a formação do aducto predomina até cerca de 60ºC, enquanto a reacção inversa é dominante acima de 100ºC. A combinação desta característica da reacção de DA com a química de compostos furânicos pode abrir um novo caminho para a preparação de materiais macromoleculares funcionais com base em fontes renováveis e com aplicações promissoras como auto-reparação e reciclabilidade. O principal objectivo desta Tese, é a síntese e caracterização de novos materiais poliméricos termo-reversíveis, aplicando a reacção de DA a monómeros complementares com estruturas dos tipos furânico (o dieno, designado por A) e de maleimida (o dienófilo, designado por B). A primeira etapa neste trabalho envolveu a síntese, purificação e caracterização de novos monómeros furânicos e de maleimida do tipo AA, A3, BB, B3, AB, AB2, cada um com diferentes grupos separadores das funções reactivas. Posteriormente, estes monómeros foram polimerizados e despolimerizados por ciclos de DA/retro-DA utilizando diferentes combinações. A formação e dissociação de todos os aductos de DA foram seguidas por ambas espectroscopias de UV e RMN de 1H. O primeiro sistema de DA estudado foi uma combinação modelo entre reagentes mono-funcionais (-A+-B), nomeadamente o acetato furfurílico (FA) e a N-metilmaleimida (MM), ambos comercialmente disponíveis. O objectivo desta abordagem foi estudar a cinética e o equilíbrio da formação/dissociação dos aductos de DA e obter indicações sobre as condições mais adequadas a serem usadas na preparação dos correspondentes novos materiais macromoleculares. Além disso, pretendia-se verificar a presença ou ausência de reacções secundárias que poderiam intervir em ambas as vias directa e inversa das reacções, mesmo após vários ciclos. A espectroscopia de UV forneceu informação quantitativa sobre a cinética de formação do aducto através da diminuição progressiva da absorvência máxima a 293 nm correspondente ao grupo maleimida, a diferentes temperaturas (35, 50, 65 ºC) Reciprocamente, a correspondente reacção de retro-DA foi seguida a 90 ºC através do aumento do mesmo pico. A reversibilidade destes sistemas foi verificada com sucesso após uma sequência de ciclos de DA/retro-DA. Adicionalmente, verificou-se que os espectros originaram um ponto isosbéstico, provando que estes sistemas não envolvem quaisquer reacções secundárias. Uma vez que foi usado um excesso de FA, as reacções de DA modelo apresentaram um comportamento cinético de pseudo-primeira ordem, com a constante de velocidade k mais alta (2.1x10-5 dm3mol-1s-1) para T=65 ºC. A correspondente energia de activação foi de 39.0 kJ.mol-1. A reacção de retro-DA seguiu um comportamento de primeira ordem, com constante de velocidade de 1.6x10-6 s-1. A evolução deste sistema por RMN de 1H a 65ºC deu-nos informações mais detalhadas sobre a sua evolução estrutural, ou seja, à medida que a intensidade dos picos atribuídos à formação do aducto aumentaram progressivamente ao longo do tempo, os pertencentes aos reagentes iniciais diminuiram proporcionalmente. O “rendimento final”, calculado após 20 dias à temperatura ambiente, foi de aproximadamente 70%. A reacção de retro-DA foi depois seguida a 90ºC, observando-se tal como na espectroscopia de UV, o deslocamento da reacção no sentido da regeneração dos reagentes de partida. A viabilidade de múltiplos ciclos de DA/retro-DA estabelecidos pela espectroscopia de UV foi igualmente confirmada por RMN de 1H. O passo seguinte envolveu o estudo de um sistema de policondensação linear baseado no crescimento gradual por reacção de DA entre um monómero bisfurânico A-A e um do tipo bismaleimida B-B, seguindo a mesma abordagem que no sistema modelo. O poliaducto linear foi obtido a partir de soluções equimolares dos monómeros, por reacção de DA a 65ºC. O progresso desta polimerização foi seguido por espectroscopia de UV e RMN de 1H e, mais qualitativamente, pelo aumento da viscosidade do meio. A reacção seguiu um comportamento de segunda ordem, com uma constante de velocidade de 9.4x10-6 dm3mol-1s-1, e observou-se novamente um ponto isosbéstico nos dados de UV. Os espectros de RMN apresentaram o padrão esperado, nomeadamente o aumento progressivo dos sinais associados ao aducto e a correspondente diminuição dos grupos furano e maleimida livres. A despolimerização do poliaducto através da reacção de retro-DA foi seguida a 110ºC usando as mesmas técnicas. Os dados de UV mostraram o retorno progressivo da absorção dos grupos de maleimida, seguindo um comportamento cinético de primeira ordem, com constante de velocidade de 2.5x10-6 s-1, até à completa regeneração de ambos os monómeros. Os espectros de RMN providenciaram mais uma vez informação estrutural sobre o progresso da despolimerização, a qual foi acompanhada por uma diminuição progressiva da viscosidade. Adicionalmente, para seguir a retro- DA, adicionou-se um excesso de composto furânico monofuncional, nomeadamente o 2,5-dimetilfurano (DMFu), ao sistema de modo a bloquear as funções maleimida complementares, evitando assim a repolimerização após arrefecimento. Os productos isolados foram então o monómero bisfurânico AA, DMFu que não reagiu e o bisaducto não-polimerizável de BB com DMFu. Este resultado indicou claramente que o polímero foi de facto revertido nos seus monómeros durante a reacção de retro-DA. O terceiro sistema estudado foi outra polimerização linear, seguindo as mesmas condições experimentais que os anteriores, mas com uma estratégia diferente de modo a contornar o problema clássico de assegurar a estequiometria exacta dos monómeros. As estruturas dos monómeros utilizados incorporam ambos os grupos reactivos, i.e, moléculas do tipo A-B. A polimerização prematura destes monómeros intrinsecamente reactivos foi evitada com a protecção do grupo maleimida na forma de um aducto de DA com furano, até a incorporação do substituinte furânico na outra extremidade. Portanto, a policondensação destes monómeros foi iniciada após a desprotecção in situ deste composto mediante aquecimento, seguido de arrefecimento até à temperatura adequada para polimerizar. Os resultados obtidos por UV e RMN sugerem que de facto o uso de monómeros do tipo A-B oferece um melhor sistema linear. Em seguida, foram estudados sistemas de policondensação não-linear por reacção de DA, entre monómeros (um ou ambos) com funcionalidade superior a dois, nomeadamente sistemas do tipo A3+B-B ou A-A+B3, seguindo mais uma vez as mesmas condições experimentais. Uma vez que utilizam monómeros complementares contendo, em média, mais de duas funcionalidades, estes sistemas conduzem a materiais reticulados. Nestes estudos, foram usadas três razões molares de [maleimida]/[furano], nomeadamente 1.0, 0.75 e 0.5, de modo a estudar ambas as situações de não-gelificação e reticulação. Ambos sistemas apresentaram um comportamento regular e boa reciclabilidade quer para gerar situações que possam conduzir à formação de redes a diferentes graus de conversão, ou que possam parar antes da sua obtenção, conforme previsto pela equação de Flory-Stockmayer. Como esperado, a utilização de grupos complementares em quantidades estequiométricas produziu o espessamento mais rápido e a reticulação quase completa; à medida que a quantidade relativa de monómero trifuncional decresceu, as reacções pararam antes da reticulação, ou seja, originaram meios altamente viscosos contendo polímeros solúveis altamente ramificados. As reacções de retro-DA a 110 ºC conduziram à gradual dissolução das partículas de gel (quando presentes), tendo sido comprovado pelos espectros de UV e de RMN de 1H, evidenciado a regeneração dos monómeros. Tal como no sistema do tipo A-A+B-B, a reacção de retro-DA foi seguida adicionando um excesso de DMFu ao sistema reaccional. Como esperado, os produtos finais foram os monómeros furânicos, o DMFu em excesso e o trisaducto ou o bisaducto maleimida-DMFu, o que confirma a eficiência da despolimerização com regeneração dos monómeros iniciais. O último sistema de policondensação por reacção de DA envolveu um monómero assimetricamente substituído do tipo AB2, capaz de originar estruturas macromoleculares hiper-ramificadas que não reticulam. Este estudo preliminar deste sistema foi seguido nas mesmas condições experimentais que os anteriores, apresentando um comportamento com as características esperadas.

Pilot study of the utility and acceptability of tampon sampling for the diagnosis of Neisseria gonorrhoeae and Chlamydia trachomatis infections by duplex realtime polymerase chain reaction in United Kingdom sex workers

We aimed to evaluate the acceptability of self-collected tampon samples for the screening of female sex workers for sexually transmitted infections. We recruited 65 sex workers, and 63 agreed to provide tampon samples. The tampon samples were processed by realtime polymerase chain reaction (PCR) targeting Neisseria gonorrhoeae and Chlamydia trachomatis. Urethral and endocervical swabs were also obtained from 61 of 63 participants and tested using culture (N. gonorrhoeae) and the BD ProbeTec strand displacement amplification (SDA) (C. trachomatis) assay. Tampon sampling was preferred by 95% of the women and all favoured being tested away from genitourinary medicine clinics; the most common reasons cited were avoidance of embarrassment (40%) and convenience (30%). Besides near-universal acceptability of tampon sampling, the tampon sampling-PCR approach described in this study appeared to have enhanced sensitivity compared with conventional testing, suggesting the possibility of a residual hidden burden of N. gonorrhoeae and/or C. trachomatis genital infections in UK female sex workers.

Determination of polyphenols in wines by reaction with 4-aminoantipyrine and photometric flow-injection analysis

A new flow-injection analytical procedure is proposed for the determination of the total amount of polyphenols in wines; the method is based on the formation of a colored complex between 4-aminoantipyrine and phenols, in the presence of an oxidizing reagent. The oxidizing agents hexacyanoferrate(III), peroxodisulfate, and tetroxoiodate(VII) were tested. Batch trials were first performed to select appropriate oxidizing agents, pH, and concentration ratios of reagents, on the basis of their effect on the stability of the colored complex. Conditions selected as a result of these trials were implemented in a flow-injection analytical system in which the influence of injection volume, flow rate, and reaction- coil length, was evaluated. Under the optimum conditions the total amount of polyphenols, expressed as gallic acid, could be determined within a concentration range of 36 to 544 mg L–1, and with a sensitivity of 344 L mol–1 cm–1 and an RSD <1.1%. The reproducibility of analytical readings was indicative of standard deviations <2%. Interference from sugars, tartaric acid, ascorbic acid, methanol, ammonium sulfate, and potassium chloride was negligible. The proposed system was applied to the determination of total polyphenols in red wines, and enabled analysis of approximately 55 samples h–1. Results were usually precise and accurate; the RSD was <3.9% and relative errors, by the Folin–Ciocalteu method, <5.1%.

Ground reaction forces and plantar pressure distribution during occasional loaded gait

This study compared the ground reaction forces (GRF) and plantar pressures between unloaded and occasional loaded gait. The GRF and plantar pressures of 60 participants were recorded during unloaded gait and occasional loaded gait (wearing a backpack that raised their body mass index to 30); this load criterion was adopted because is considered potentially harmful in permanent loaded gait (obese people). The results indicate an overall increase (absolute values) of GRF and plantar pressures during occasional loaded gait (p < 0.05); also, higher normalized (by total weight) values in the medial midfoot and toes, and lower values in the lateral rearfoot region were observed. During loaded gait the magnitude of the vertical GRF (impact and thrust maximum) decreased and the shear forces increased more than did the proportion of the load (normalized values). These data suggest a different pattern of GRF and plantar pressure distribution during occasional loaded compared to unloaded gait.

In-shoe plantar pressures and ground reaction forces during overweight adults' overground walking

Purpose: Because walking is highly recommended for prevention and treatment of obesity and some of its biomechanical aspects are not clearly understood for overweight people, we compared the absolute and normalized ground reaction forces (GRF), plantar pressures, and temporal parameters of normal-weight and overweight participants during overground walking. Method: A force plate and an in-shoe pressure system were used to record GRF, plantar pressures (foot divided in 10 regions), and temporal parameters of 17 overweight adults and 17 gender-matched normal-weight adults while walking. Results: With high effect sizes, the overweight participants showed higher absolute medial-lateral and vertical GRF and pressure peaks in the central rearfoot, lateral midfoot, and lateral and central forefoot. However, analyzing normalized (scaled to body weight) data, the overweight participants showed lower vertical and anterior-posterior GRF and lower pressure peaks in the medial rearfoot and hallux, but the lateral forefoot peaks continued to be greater compared with normal-weight participants. Time of occurrence of medial-lateral GRF and pressure peaks in the midfoot occurred later in overweight individuals. Conclusions: The overweight participants adapted their gait pattern to minimize the consequences of the higher vertical and propulsive GRF in their musculoskeletal system. However, they were not able to improve their balance as indicated by medial-lateral GRF. The overweight participants showed higher absolute pressure peaks in 4 out of 10 foot regions. Furthermore, the normalized data suggest that the lateral forefoot in overweight adults was loaded more than the proportion of their extra weight, while the hallux and medial rearfoot were seemingly protected.

Polymerase Chain Reaction Screening for Fungemia and/or Invasive Fungal Infections in Patients with Hematologic Malignancies

INTRODUCTION: Invasive fungal infections (IFIs) are a life-threatening complication in patients with hematologic malignancies, mainly in acute leukemia patients, following chemotherapy. IFI incidence is increasing, and associated mortality remains high due to unreliable diagnosis. Antifungal drugs are often limited by inadequate antimicrobial spectrum and side effects. Thus, the detection of circulating fungal DNA has been advocated as a rapid, more sensitive diagnostic tool. PATIENTS AND METHODS: Between June 01 and January 03, weekly blood samples (1,311) were screened from 193 patients undergoing intensive myelosuppressive or immunosuppressive therapy. IFI cases were classified according to European Organization for Research and Treatment of Cancer/Mycoses Study Group criteria. Fungal DNA was extracted from whole blood and amplified using polymerase chain reaction (PCR) published primers that bind to the conserved regions of the fungal 18S rRNA gene sequence. In our study, two or more consecutive positive samples were always associated with fungal disease. RESULTS: PCR screening predicted the development of IFI to be 17 days (median). This test had a specificity of 91.1% and a sensitivity of 75%. IFI incidence was 7.8%. DISCUSSION: Therefore, our results confirm the potential usefulness of PCR serial screening and the clinical applicability in everyday routine. PCR screening offers a noninvasive repeatable aid to the diagnosis of IFI.

The influence of gait cadence on the ground reaction forces and plantar pressures during load carriage of young adults

Biomechanical gait parameters—ground reaction forces (GRFs) and plantar pressures—during load carriage of young adults were compared at a low gait cadence and a high gait cadence. Differences between load carriage and normal walking during both gait cadences were also assessed. A force plate and an in-shoe plantar pressure system were used to assess 60 adults while they were walking either normally (unloaded condition) or wearing a backpack (loaded condition) at low (70 steps per minute) and high gait cadences (120 steps per minute). GRF and plantar pressure peaks were scaled to body weight (or body weight plus backpack weight). With medium to high effect sizes we found greater anterior-posterior and vertical GRFs and greater plantar pressure peaks in the rearfoot, forefoot and hallux when the participants walked carrying a backpack at high gait cadences compared to walking at low gait cadences. Differences between loaded and unloaded conditions in both gait cadences were also observed.

Valorisation of vegetable oil deodorizer distillate by enzymatic reaction and membrane processing

Dissertação para obtenção do Grau de Doutora em Engenharia Química e Bioquímica