Catalysis at gold-ligand interfaces: a frustrated Lewis pair mechanism for selective reduction reaction / Catalise na interface ouro-ligante: pares de Lewis frustrados aplicados em reações de redução seletivas

The interaction of the organic ligands with metal nanoparticle has a very important role for applications in catalysis, as well as other processes involving ligands that can activate or poison the surface of metal nanoparticles. Very little has been studied so far on the role of organic ligands used either in the preparation of nanoparticles for applications in catalysis or addition in the reaction to activate the catalyst. In this thesis, we have studied strategies for the synthesis of metal nanoparticles, their use as components for the preparation of supported catalysts and activation and deactivation processes involving the ligands used as stabilizers or purposely added to the reaction medium or support for stimulate new reactivity and selectivity in reactions of industrial interest, such as hydrogenation. Here, the concept of frustrated Lewis pairs (FLPs) has been expanded to surface-FLP analogous formed by combining gold nanoparticles (NPs) and Lewis bases, such as amines or phosphines, creating a new channel for the heterolytic cleavage of H2, and thereby performing selective hydrogenation reactions with gold. A first approach to improve the catalytic activity of gold nanoparticles was to analyze the effect of nitrogen-containing bases. The starting inactive gold nanoparticles became highly active for the selective hydrogenation of alkyne into cis-alkenes. The hydrogenation proceeded smoothly and fully selective using H2 as the hydrogen source and under relatively mild conditions (80 °C, 6 bar H2). Our studies also have revealed that the presence of capping ligands blocks the adsorption of the amine to the gold surface, avoiding the FLPs interface and thereby leading to low catalytic activity. When the capping ligands were removed from the catalyst surface and an amine ligand was added, the FLPs interface is recovered and an enhanced catalytic activity was observed. Furthermore, we have demonstrated the successful use of simple organophosphorus ligands to boost the catalytic activity of Au NPs for a range of important reduction reactions, namely, epoxides, N-oxides, sulfoxides, and alkynes. Furthermore, the choice of phosphorus-containing ligands resulted in a decrease in the amount necessary to reach high conversion and selectivity in comparison with our previous study with N-containing ligands. The ligand-to-metal ratio decreased from 100 (amine/Au) to 1 (phosphite/Au). The synthesis of gold nanoparticles supported on N-doped carbon supports was used as an alternative method for the synthesis of a heterogeneous active gold catalyst for selective hydrogenations. The main advantage with respect to previous studies was to avoid the addition of external ligands, in large excess, for the activation of gold surfaces via FLP, making the whole process environmentally and economically attractive

A interação dos ligantes orgânicos com nanopartículas de metal certamente tem um papel muito importante para aplicações em catálise, bem como outros processos envolvendo ligantes que podem ativar ou envenenar a superfície de nanopartículas metálicas. Até agora, muito pouco foi estudado sobre o papel dos ligantes orgânicos utilizados na preparação de nanopartículas para aplicações em catálise ou adição na reação para ativar o catalisador. Nesta tese, foram estudadas estratégias para a síntese de nanopartículas metálicas, seu uso como componentes para a preparação de catalisadores suportados e processos de ativação e desativação envolvendo ligantes empregados como estabilizantes ou propositalmente adicionados ao meio de reação ou suporte para estimular novas reatividades e seletividade em reações de interesse industrial, como reações de hidrogenação. Aqui, o conceito de pares de Lewis frustrados (FLPs) foi expandido para o seu análogo de superfície formado pela combinação de nanopartículas (NPs) de ouro e bases de Lewis, como aminas ou fosfinas, criando um novo canal para a clivagem heterolítica de H2 e, assim, realizando reações seletivas de hidrogenação com ouro. Uma primeira abordagem para melhorar a atividade catalítica das nanopartículas de ouro foi analisar o efeito de bases contendo nitrogênio. As nanopartículas de ouro inicialmente inativas tornaram-se altamente ativas para a hidrogenação seletiva de alquino em cis-alquenos. A hidrogenação prosseguiu foi factível e totalmente seletiva usando H2 como fonte de hidrogênio e sob condições relativamente amenas (80 °C, 6 bar de H2). Nossos estudos também revelaram que a presença de estabilizantes pode bloquear a adsorção da base na superfície do ouro, impedindo a formação da interface FLPs e, portanto, levando a baixa atividade catalítica. Quando os estabilizantes foram removidos da superfície do catalisador e um ligante foi adicionado, o FLPs é formado sendo a atividade catalítica aprimorada. Além disso, demonstramos o uso bem-sucedido de ligantes organofosforados atuando como ativadores de Au NPs em uma série de importantes reações de redução, como, epóxidos, N-óxidos, sulfóxidos e alquinos. Além disso, a escolha do ligante fosforado resultou em uma diminuição na quantidade necessária para alcançar alta conversão mantendo a seletividade inalterada. A relação ligante/metal diminuiu de 100/1 (amina/Au) para 1/1 (fosfito/Au). A síntese de nanopartículas de ouro suportadas em carbono dopado com nitrogênio foi utilizada como método alternativo para a síntese de um catalisador heterogêneo de ouro ativo para hidrogenações seletivas. A principal vantagem em relação aos estudos anteriores foi evitar a adição de ligantes externos, em grande excesso, para a ativação de superfícies de ouro via FLP, tornando todo o processo ambiental e economicamente atraente

Utilização da fonte de luz como energia catalisadora da presa química inicial dos cimentos ionoméricos convencionais / Using a light source as a catalyst energy for initial chemical setting of conventional glassionomer cements

Objetivo Avaliar se o fotopolimerizador de uso odontológico (luz emissora de diodo) aplicado por 20 segundos sobre o cimento de ionômero de vidro convencional pode acelerar a presa química deste material. Métodos Os cimentos ionoméricos utilizados foram o Vidrion R (SS White, Rio de Janeiro) e o Ketac Molar (3M, Espe, Alemanha). Foram confeccionados quarenta corpos de prova divididos em quatro grupos (n=10): G1: Vidrion R sem fonte de luz; G2: Vidrion R ativadas por luz durante 20 segundos; G3: Ketac Molar sem fonte de luz; G4: amostras de Ketac Molar ativadas por luz durante 20 segundos. A espatulação do ionômero foi em quarenta segundos desde o início do processo até a perda do brilho. A fonte de luz foi o aparelho Optilight Max (Gnatus, São Paulo) com potência de luz de 1200mW/cm² e comprimento de onda de 450nm. Os resultados foram analisados no Programa Biostat (Analyst Soft, Walnut, Califórnia, Estados Unidos) versão 4.0, realizada a análise descritiva e o teste de Kruskal Wallis (Student-Newman-Keuls). Resultados A utilizaçãoda luz nos cimentos ionoméricos convencionais Vidrion R e Ketac Molar acarretou redução significativa no tempo gasto para a presa química destes materiais (p<0.01). Não houve diferença entre o tempo gasto para presa química com ou sem a utilização da fonte de luz, quando comparados os cimentos ionoméricos Vidrion e Ketac (p>0.05). Conclusão Autilização da fonte de luz emissora de diodo está indicada para acelerar a presa química inicial dos cimentos ionoméricos convencionais reduzindo o tempo operatório e favorecendo o tratamento em odontopediatria.

Objective To assess whether a dental light curing unit (light emission diode) used for 20 seconds on conventional glass-ionomer cement can accelerate chemical setting of the material. Methods The glass-ionomer cements used were Vidrion R (SS White, Rio de Janeiro, Brazil) and Ketac Molar (3M, Espe, Germany). Forty test specimens were fabricated and divided into 4 groups (n=10): G1: R Vidrion samples without using the light source; G2: Vidrion R samples light activated for 20 seconds; G3: Ketac Molar samples without using the light source; G4: Ketac Molar samples light activated for 20 seconds. In all groups the ionomer was spatulated for 40 seconds. The time elapsed from the beginning of the spatulation to the loss of gloss was recorded in seconds. The light source device was the Optilight Max (Gnatus, São Paulo, Brazil) with light output of 1200mW/cm² and a wavelength of 450nm. The software Biostat version 4.0 (Analyst Soft, Walnut, California) analyzed the results. Descriptive analysis was performed, and the Kruskal Wallis test was used (Student-Newman-Keuls). Results The use of light on conventional glass ionomer cements Vidrion R and Ketac Molar significantly reduced the time required for the chemical setting of these materials (p<0.01). The chemical setting time of the glass-ionomer cements Vidrion and Ketak did not differ with or without the light source (p>0.05). Conclusion The use of a light emission diode is indicated to accelerate the initial chemical setting of conventional glass-ionomer cements, reducing the operative time and improving treatment in pediatric dentistry

Effect of inactivation and reactivation conditions on activity recovery of enzyme catalysts

Enzymes are labile catalysts with reduced half-life time that can be however improved by immobilization and, furthermore, already inactivated catalyst can be recovered totally or partially, therefore allowing the large scale application of enzymes as process catalysts. In recent years a few studies about reactivation of enzyme catalysts have been published as a strategy to prolong the catalyst lifetime. Reported results are very good, making this strategy an interesting tool to be applied to industrial process. These studies have been focused in the evaluation of different variables that may have a positive impact both in the rate and level of activity recovery, being then critical variables for conducting the reactivation process at productive scale. The present work summarizes the studies done about reactivation strategies considering different variables: type of immobilization, enzyme-support interaction, level of catalyst inactivation prior to reactivation, temperature and presence of modulators.

Obtención de biodiesel a partir de diferentes tipos de grasa residual de origen animal / Extractin biodieesel from different types of animal origin residual fat

Se estudian diferentes posibilidades de obtención de biodiesel a partir de residuos grasos generados en la explotación pecuaria: grasa de pollo, cerdo, y vacuna, para ello se analizan las variables relación molar alcohol/grasa animal y cantidad de catalizador, puesto que son las que más inciden en la calidad del biodiesel, al evaluar sus características y rendimientos de la reacción de transesterificación. El rendimiento en el proceso de extracción de la grasa de material de desecho de pollo es del 70,5%, y de la grasa de cerdo del 90%, por lo que se plantean como alternativas viables desde el punto de vista técnico, permitiendo la valorización de estos desechos orgánicos y aliviando la contaminación generada en este tipo de industrias. De la caracterización realizada a la grasa de pollo y cerdo se pudo establecer que ambas materias primas son de baja acidez lo cual garantiza un alto grado de transesterificación, teniendo en cuenta que tuvo un rendimiento del 96% a partir de la grasa de pollo y del 91,2% a partir de la grasa de cerdo. Del análisis cromatográfico del biodiesel sintetizado se obtuvo que el ácido graso más común fue el del ácido oleico.

Different possibilities of extracting biodiesel from fat residues generated on farm livestock: chicken, pork, and bovine fat, were studied. To do this, the variables molar ratio alcohol/animal fat and amount of catalyst are analyzed, since those are the ones which most affect the quality of biodiesel when assessing the characteristics and efficiency of the transesterification reaction. The efficiency in the poultry waste material extraction process is 70.5%, and in pork fat is 90%, reason why they are proposed as feasible alternatives from the technical standpoint, allowing the recovery of this organic waste, thus alleviating the pollution generated by this type of industry. From the characterization performed on chicken and pork fat, it has been established that this raw material has low acidity which ensures a high degree of transesterification, taking into account that it had 96% efficiency from chicken fat and 91.2% from pork fat. From the synthesized biodiesel Chromatographic analysis it was found that the most common fatty acid was oleic acid.

Producción de naringenina por Aspergillus niger IB-56 / Production of naringenin by Aspergillus niger IB-56

Aspergillus niger IB-56 fue usado como biocatalizador para la transformación de naringina en naringenina, un flavonoide de gran importancia en la industria farmacéutica. En el proceso biotecnológico planteado, se obtuvo un rendimiento (Yp/s= 0,4 g/g), productividad (Pv=0,1 g/Lh) y eficiencia del 85 por ciento similar al valor encontrado con naringinasa parcialmente purificada (Yp/s= 0,45 g/g; Pv= 0,12 g/Lh y Ef=92 por ciento). Los costos del proceso son bajos comparados a los ocasionados por la extracción, concentración y purificación de la enzima.

Aspergillus niger IB-56 was used like biocatalizador for the transformation of naringin in naringenin, a flavonoid of great important in the pharmaceutical industry. In the raised biotechnological process, one obtained a yield (Yp/s= 0.4 g/g), productivity (Pv=0.1 g/Lh) and efficiency of 85 percent similar to the value found with naringinase partially purified (Yp/s= 0.45 g/g; Pv= 0.12 g/Lh and Ef=92 percent). The costs of the process low are compared to the caused ones by the extraction, concentration and purification on the enzyme.

Mecanismo de oxidação aeróbica de acetoacetato e 2-metilacetoacetato catalisada por mioglobina: implicações em desordens cetogênicas / Mechanism of the aerobic oxidation of acetoacetate and 2- methylacetoacetate catalyzed by Mb: implications for ketogenic disorders

Acetoacetato (AA) e 2-metilacetoacetato (MAA) são compostos β-cetoácidos acumulados em diversas desordens metabólicas como no diabetes e na isoleucinemia, respectivamente. Examinamos o mecanismo de oxidação aeróbica de AA e MAA iniciada por intermediários reativos de mioglobina de coração de cavalo (Mb) gerados pela adição de H2O2. Uma rota quimioluminescente que envolve um intermediário dioxetânico cuja termólise gera espécies α-dicarbonílicas (metilglioxal e biacetilo) foi proposta e estudada. Emissão de luz ultra fraca acompanha a reação, e sua intensidade aumenta linearmente pelo aumento da concentração tanto de Mb (10-500 µM) quando AA (10-100 mM). Estudos de consumo de oxigênio mostraram que MAA é, como esperado, quase uma ordem de grandeza mais reativo que AA. Estudos de EPR com captação de spin, utilizando MNP, possibilitaram detectar adutos de MAA atribuíveis a um radical centrado no Cα (aN = 1.55 mT) e ao radical acetila (aN = 0.83 mT). O sinal do radical acetila é totalmente suprimido por sorbato, um conhecido e eficiente supressor de espécies tripletes, o que é consistente com uma rota reacional envolvendo um intermediário dioxetânico. Clivagem-α da ligação carbonila-carbonila do produto biacetilo triplete produziria, de fato, radicais acetila. Além disso, utilizando AA como substrato para Mb/H2O2, um sinal de EPR atribuível ao aduto MNP-AA• (aN = 1.46 mT e aH = 0.34 mT) foi observado e confirmado por efeito isotópico. O consumo de oxigênio e o rendimento de compostos α-dicarbonílicos foram dose-dependentes à concentração de AA ou MAA (1-50 mM) bem como à concentração de H2O2 adicionado às misturas de reação contendo Mb (até 1:10 quando medido o consumo de oxigênio, e até 1:25 quando medido o rendimento de compostos α-dicarbonílicos) e tert-butilhidroperóxido (até 1:200). Os perfis de pH (5,8-7,8) para consumo de oxigênio e rendimento de compostos α-dicarbonílicos mostraram maiores rendimentos para baixos valores de pH, indicativo de ferrilMb...

Acetoacetate (AA) and 2-methylacetoacetate (MAA) are β-ketoacids accumulated in several metabolic disorders such as diabetes and isoleucinemia, respectively. Here we examine the mechanism of AA and MAA aerobic oxidation initiated by the reactive enzyme intermediates formed by the reaction of muscle horse myoglobin (Mb) with H2O2. A chemiluminescent route involving a dioxetane intermediate whose thermolysis yields triplet α-dicarbonyl species (methylglyoxal and diacetyl) is envisaged. Accordingly, the ultraweak light emission that accompanies the reaction increases linearly by raising the concentration of both Mb (10-500 µM) and AA (10- 100 mM). Oxygen uptake studies revealed that MAA is, expectedly, almost one order of magnitude more reactive than AA. EPR spin-trapping studies with MNP detected spin adducts from MAA attributable to an α-carbon-centered radical (aN = 1.55 mT) and to an acetyl radical (aN = 0.83 mT). As the acetyl radical signal is totally suppressed by sorbate, a well-known efficient triplet species quencher, the dioxetane hypothesis seems to be reliable. The α-cleavage of the carbonyl-carbonyl bond of a putative excited triplet diacetyl product would, in fact, leads to an acetyl radical. Furthermore, using AA as substrate for Mb/H2O2, an EPR signal assignable to a MNP-AA• adduct (aN = 1.46 mT and aH = 0.34 mT) was observed and confirmed by isotope effect. Oxygen consumption and α-dicarbonyl yield were also dependent on AA or MAA concentrations (1-50 mM) as well as on the concentration of peroxide added to the Mb-containing reaction mixtures: H2O2 (up to 1:10 when measuring oxygen uptake and up to 1:25 when measuring the α-dicarbonyl yield) and t-butOOH (up to 1:200). The pH profiles (5.8-7.8) of oxygen consumption and α-dicarbonyl yield show higher reaction rates at lower pHs, indicative of a ferrylMb intermediate. Evaluating Mb lesion, both β-ketoacids reduced disorganization of the secondary and tertiary protein structure elicited by H2O2...

Utilización de hidrolasas en la preparación de fármacos e intermedios homoquirales / Hydrolases use in the preparation of drugs and homochiral intermediates

La exquisita regio y estereoselectividad que presentan los biocatalizadores,amén de la buena sostenibilidad inherente a su empleo,permiten la realización de protocolos sintéticos difícilmente alcanzablespor las metodologías clásicas, a menos que se lleven a cabocostosos procesos de protección y desprotección. En este trabajo serevisan algunos ejemplos en los cuales las hidrolasas (las enzimas másempleadas dentro del ámbito de las Biotransformaciones) están implicadascomo biocatalizadores para la obtención del eutómero (esteroisómeroactivo, que presenta la actividad terapéutica deseada) biende diferentes fármacos quirales, o bien de precursores a través de loscuales se puedan sintetizar. Así, se comentarán distintos tipos de biotransformacionespara la obtención de compuestos con diferentesactividades: antivirales, anticancerosos, antihipertensivos, antiinflamatorios,etc, haciendo hincapié en la versatilidad y comodidad delempleo de los biocatalizadores en los pasos sintéticos descritos(AU)

The excellent regio and steroselectivity of biocatalysts, combinedwith their environmental friendly behaviour, make possible to carryout under biocatalytical conditions many processes which, conductedon strictly classical methodologies, would demand expensive andtedious protection and de-protection steps. In this work we reviewsome examples in which hydrolases (the most useful enzymes in theBiotransformations field) catalyse different reactions for synthesizingonly the therapeutically essential stereoisomer of differenthomochiral building blocks for drugs. Thus, processes leading toantiviral, anticancer, antihypertensive or antiinflammatory drugs,along with many others, are described, remarking the versatility andutility of the biocatalysts in the above-mentioned processes(AU)

One-step purification and characterization of cellulase-free xylanase produced by alkalophilic Bacillus subtilis ash

A purificação de uma etapa e caracterização de uma xilanase livre de celulase de uma linhagem recentemente isolada alcalofílicos e moderadamente termofílico de Bacillus subtilis ASH. Xilanase foi purificada à homogeneidade de 10,5 vezes, com ~ por cento de recuperação 43 através de cromatografia de troca iônica através de CM- Sephadex C -50. A enzima purificada revelou uma única banda no gel SDS-PAGE com uma massa molecular de 23 kDa. Ele mostrou um pH ótimo de 7,0 e manteve-se estável na faixa de pH 6,0-9,0 . A temperatura ótima para atividade da enzima foi 55 º C. A xilanase purificada não perder nenhuma atividade até 45 º C , no entanto, manteve 80 por cento e 51 por cento de sua atividade após pré-incubação a 55 º C e 60 º C , respectivamente. A enzima obedecido Michaelis- Menton cinética para xilano de madeira de bétula com aparente km 3,33 mg / ml e Vmax 100 UI / ml. A enzima foi fortemente inibida por Hg2 +, Cu2 + , enquanto reforçada por Co2 + e Mn2 +. A enzima purificada pode ser armazenado a 4 º C por seis semanas sem nenhuma perda de atividade catalítica. A purificação mais rápido e econômico da xilanase livre de celulase de B. subtilis ASH por um passo-a processo juntamente com a sua estabilidade sensível a alta temperatura e pH alcalino torna potencialmente eficazes para aplicações industriais.

Screening of microbial lipases and evalutaion of their potential to produce glycerides with high gamma linolenic acid concentration

Gamma-linolenic acid (GLA, 18:3, cis- 6,9,12-octadecatrienoic acid), an important compound in n-6 eicosanoid family biosynthesis, occurs in the lipids of a few plant and microbial sources. This study focused on the screening of microbial strains with suitable lipase activity for enrichment of GLA by selective hydrolysis of the borage oil (21.6 percent of GLA/total fatty acids). Firstly, 352 microrganisms were tested for their lipolytic capacity using screening techniques on agar plates containing borage oil, strains were then selected and screened for their activity (U/mg) using both submerged fermentation (SmF) and solid state fermentation (SSF). The rate of hydrolysis and the selective preference of these hydrolytic enzymes towards fatty acids, with a special focus on enrichment of GLA were studied and compared with those obtained by two commercially-available lipases. Only one of the lipases tested during this study displayed selectivity, discriminating the GLA during the hydrolysis reaction. Using the enzymatic extract from Geotrichum candidum as a biocatalyst of the reaction, it was possible to obtain a percentage of 41.7 percent of GLA in acylglycerols fraction when the borage oil was treated in a fixed-bed reactor for 24 hours at 30ºC.

Capítulo 6. Biocatalizadores

La vida se mantiene gracias al intercambio permanente de sustancia, energía e información con el medio natural. Al asimilar esos elementos de su ambiente las células vivas deben transformarlos a grandes velocidades para poderse adaptar a los cambios del medio. El papel fundamental en esas transformaciones lo desempeñan los sistemas biocatalíticos, integrados por una proteína con actividad catalítica, denominada enzima y una sustancia no proteínica que contribuye a la catálisis denominada cofactor. Las enzimas son catalizadores con una alta eficiencia y una elevada especificidad de sustrato y de reacción. Contienen en su estructura el centro activo que es la zona de la proteína donde se une y es transformado el sustrato y que está formado por residuos de aminoácidos con diferentes funciones. La velocidad de las reacciones catalizadas por enzimas es influida por varios factores, tales como la concentración de la enzima, del sustrato y del cofactor, el pH, la temperatura y la presencia de otras sustancias que pueden actuar como activadores o inhibidores. Cada uno de ellos influye de una forma específica tal como se puede representar en la curva cinética correspondiente. La actividad de las enzimas puede ser regulada aumentando o disminuyendo la velocidad de las reacciones que ellas catalizan. Los principales mecanismos de regulación enzimática son la modulación alostérica y la modificación covalente. Para su mejor funcionamiento algunas enzimas precisan de la presencia de un cofactor, que cuando es de naturaleza orgánica recibe el nombre de coenzima. Las coenzimas de más amplio uso en el metabolismo son los piridín nucleótidos, los flavín nucleótidos, la coenzima A y el adenosín trifosfato. Los sistemas biocatalíticos constituyen uno de los pilares fundamentales sobre los que se sustenta la vida(AU)