Search

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO COORDENAÇÃO DE APERFEIÇOAMENTO DO PESSOAL DE ENSINO SUPERIOR CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO PROGRAMA DE SUPORTE À PÓS-GRADUAÇÃO DE INSTS. DE ENSINO Neste trabalho investigou-se a complexação entre o íon alumínio e ligantes como a adenosina 5-trifosfato, a fosfocreatina e aminoácidos pelas técnicas de titulação potenciométrica, espectroscopia Raman e cálculos teóricos em solução aquosa, para conhecer as características dos compostos formados. O estudo visou subsidiar o entendimento dos mecanismos de absorção e biodisponibilidade do alumínio. Tal compreensão poderia auxiliar as pesquisas clínicas relacionadas à prevenção e ao tratamento de doenças neurodegenerativas. O alumínio está presente na água e em vegetais, carnes, laticínios e aditivos alimentares. Soluções de nutrição parenteral, fórmulas infantis e medicamentos podem conter alumínio também. Em fluidos corporais, os nucleosídeos di e trifosfatos e os aminoácidos são bons ligantes para o íon alumínio. Biomoléculas da baixa massa molecular formam complexos que aumentam o pH de precipitação do íon e sua absorção gastrointestinal. Esta pesquisa analisou seis complexos formados com o íon alumínio em solução aquosa. Os compostos binários, tetraaquaadenosina5- trifosfato alumínio(III) e aquafosfocreatina alumínio(III), foram estudados por espectroscopia Raman e cálculos quantomecânicos. As análises dos complexos ternários, adenosina5-trifosfatodiaquacisteína aluminato(III), adenosina5-trifosfatotriaquametionina aluminato(III), aquacisteínafosfocreatina aluminato(III) e aquafosfocreatinametionina aluminato(III), envolveram ainda a potenciometria. Os cálculos computacionais usaram a teoria do funcional de densidade com o funcional híbrido (B3LYP), a base 6-311++G(d,p) e consideraram o efeito do solvente água pelo modelo de contínuo polarizável. Eles englobaram a obtenção de parâmetros geométricos, o cálculo do espectro Raman e a descrição da superfície de contorno do potencial eletrostático e do mapa do potencial eletrostático. No que tange os complexos binários, as análises ratificaram o comportamento bidentado da adenosina 5-trifosfato por um oxigênio do fosfato alfa e um oxigênio do fosfato beta. No complexo formado entre o íon alumínio e a fosfocreatina, o ligante atua como tridentado por um oxigênio do fosfato, um oxigênio do carboxilato e um nitrogênio. Os mapas do potencial eletrostático apontaram a presença de regiões neutras ao redor dos átomos e como as cargas totais das moléculas eram zero, elas devem ser solúveis em lipídios. Nos complexos ternários, os modos de coordenação da adenosina 5-trifosfato e da fosfocreatina adotados nos compostos binários se mantêm. A cisteína se comporta como bidentada por um oxigênio do carboxilato e um nitrogênio. Na espécie adenosina5-trifosfatotriaquametionina aluminato(III), a metionina atua como monodentada pelo oxigênio do carboxilato. A despeito da carga total negativa dos complexos, as moléculas não apresentam um potencial eletrostático tão negativo e possuem uma estrutura estável. Quatro outros sistemas ternários, o alumínio(III):adenosina 5-trifosfato:homocisteína, o alumínio(III):fosfocreatina:homocisteína, o alumínio(III):adenosina 5-trifosfato: penicilamina e o alumínio(III):fosfocreatina:penicilamina, foram examinados apenas por potenciometria. Ela mostrou a ocorrência de várias reações de complexação e diversos complexos são formados de acordo com o pH. Comumente, o alumínio(III) se torna insolúvel entre pH 2,5 a 5,5. Todavia, isso não ocorreu. Os resultados exibiram a variedade do comportamento dos ligantes na complexação com o íon alumínio. As pesquisas sugerem como podem estar formados alguns complexos nos organismos vivos. This thesis investigated complexation reactions between aluminum(III) and ligands such as adenosine 5-triphosphate, phosphocreatine and amino acids by potentiometry, Raman spectroscopy and theoretical calculations in aqueous solution, with the aim to know the proprieties of formed complexes. The study was important to improve the knowledge about absorption mechanisms and bioavailability of aluminum(III). This learning could help clinical researches about prevention and treatment of neurodegenerative diseases. Aluminum is present in water and in vegetables, animal products and food additives. Parenteral nutrition solutions, infant formulas and medications also contain aluminum. In fluids, di- and triphosphate nucleosides and amino acids are good ligands for aluminum(III). Low molecular mass biomolecules form complexes which increase the pH of precipitation of the metal ion and its gastrointestinal absorption. This study analyzed six complexes with aluminum ions in aqueous solution. The binary compounds tetraaquaadenosine 5-triphosphate aluminum(III) and aquaphosphocreatine aluminum(III) were studied by Raman spectroscopy and quantum mechanical calculations. The analysis of the ternary complexes adenosine5-triphosphatediaquacysteine aluminate(III), adenosine5’- triphosphatetriaquamethionine aluminate(III), aquacysteinephosphocreatine aluminate(III) and aquaphosphocreatinemethionine aluminate(III) also involved potentiometry. Computational calculations used density functional theory with the hybrid functional B3LYP and the 6-311++G(d,p) basis set regarding water solvent effects by the polarizable continuum model. They included the assessment of geometrical parameters, Raman spectrum calculations and the description of electrostatic potential contour surfaces and mapped electrostatic potential. Regarding the binary complexes, analyses confirmed the bidentate behavior of adenosine 5-triphosphate through one oxygen of the phosphate beta and one oxygen of the phosphate gamma. In the complex that formed between aluminum(III) and phosphocreatine, the ligand behaved as a tridentate, coordinated through one oxygen in the phosphate, one oxygen in the carboxylate and one nitrogen in the guanidine group. The electrostatic potential maps pointed out the presence of neutral regions around atoms and, as the total charge of these molecules was zero, they should be soluble in lipids. In the ternary complexes, the coordination modes of adenosine 5-triphosphate and phosphocreatine adopted in binary compounds remained. Cysteine behaved as a bidentate ligand through one carboxylate oxygen and nitrogen. In the adenosine5- triphosphatetriaquamethionine aluminate(III) species, methionine acted as a monodentate ligand via the carboxylate oxygen. Despite the negative net charge of the complexes, they did not exhibit a negative electrostatic potential and had stable structures. The four other ternary systems, aluminum(III):adenosine 5- triphosphate:homocysteine, aluminum(III):phosphocreatine:homocysteine, aluminum(III):adenosine 5-triphosphate:penicillamine and aluminum(III): phosphocreatine:penicillamine, were examined only by potentiometry. The results showed the occurrence of various complexation reactions, and several complexes are formed depending on the pH. Commonly, aluminum(III) becomes insoluble between pH 2.5 to 5.5. However, this did not occur. These results bring to light the multiplicity of ligand behaviors in complexation with aluminum(III). This research also suggests that some complexes may be formed in living organisms.

PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO DE JANEIRO CONSELHO NACIONAL DE DESENVOLVIMENTO CIENTÍFICO E TECNOLÓGICO A pneumonia é causada por microrganismos que se instalam nos pulmões, podendo chegar aos alvéolos pulmonares e ocasionar insuficiências respiratórias. Tratamentos com antibióticos são os mais utilizados. Porém, o uso dos mesmos pode não ser eficiente por causa de mecanismos de resistência bacteriana. O peptídio antimicrobiano BP-100 é um promissor candidato a novo antibiótico devido sua baixa suscetibilidade à resistência bacteriana. Ele pode ser mais eficaz quando utilizado com nanopartículas de ouro (AuNPs) e revestimentos de polímeros biodegradáveis para uso tópico. O objetivo deste trabalho foi avaliar por meio da dinâmica molecular coarse grained (DM-CG), utilizando o campo de força MARTINI, o efeito da transposição do peptídio BP-100, carreado em uma nanopartícula de ouro revestida com três tipos de polímeros, através de um modelo de surfactante pulmonar. Os polímeros selecionados para este trabalho foram o polietilenoglicol (PEG), poliestireno (PS) e o copolímero de polietilenoglicol em bloco com poliestireno (PEG-b-PS). As energias livres de Gibbs das transposições das nanopartículas foram realizadas utilizando simulações direcionadas e amostragem guarda-chuva. Os resultados obtidos demonstraram que o processo foi espontâneo para a nanopartícula de ouro contendo o BP-100 adsorvido em sua superfície e encapsulada com o PEG. No entanto, observou-se que a nanopartícula BP100-PEG se desfaz ao atingir a fase aquosa, e o BP-100 migra para a região das cabeças polares dos fosfolipídios carregados negativamente. Com a realização deste trabalho, foi possível avaliar os efeitos de nanocarreadores no modelo de surfactante pulmonar, bem como avaliar a viabilidade da aplicação de peptídios antimicrobianos para possíveis tratamentos de doenças pulmonares, como a pneumonia. Pneumonia is caused by microorganisms that settle in the lungs, which may reach the pulmonary alveoli and cause respiratory failure. Antibiotic treatments are the most used. However, their use may not be efficient due to bacterial resistance. The antimicrobial peptide BP-100 is a promising candidate for a new antibiotic due to its low susceptibility to bacterial resistance. It can be most effective when used with gold nanoparticles (AuNPs) and polymer coatings for topical use. The goal of this work was to evaluate the effect of the transposition of the BP-100 peptide carried on a gold nanoparticle coated with three types of polymers (polyethylene glycol (PEG), polystyrene (PS) and polyethylene glycol-block-polystyrene (PEG-b-PS)) using a pulmonary surfactant model. The Gibbs free energies for nanoparticle transpositions are performed using coarse grained molecular dynamics (CGMD) and umbrella sampling. The results demonstrate that the process is spontaneous for the gold nanoparticle containing BP-100 adsorbed on the AuNPs encapsulated with PEG. However, it is observed that the BP100-PEG nanoparticle breaks up when reaching the aqueous phase. Then, BP-100 migrates to the polar heads region of the negatively charged phospholipids. It is possible to evaluate the effects of nanocarriers on the lung surfactant model. In addition, it is suggested the feasibility of applying antimicrobial peptides carried on PEG capped AuNPs for possible treatments of lung diseases, such as pneumonia.

Efeitos galvânicos desempenham um papel importante no mecanismo de oxidação de sulfetos minerais. A pirita (FeS2) é o sulfeto mineral mais abundante na Terra e, na presença de arsenopirita (FeAsS), sua oxidação diminui. Consequentemente, a taxa de oxidação de arsenopirita é aumentada, liberando as espécies As(III) e As(V) no meio. Estas espécies são um perigo para o meio ambiente e podem se tornar um problema de saúde nas regiões de mineração. Nesta tese reportamos a investigação do par galvânico gerado pela interface pirita/arsenopirita a partir de cálculos DFT/ondas planas (Capítulo 3). Para construir os modelos de interface, inicialmente testou-se a comensurabilidade entre a superfície (100) de pirita (superfície de pirita com maior ocorrência na natureza) com as doze superfícies de arsenopirita relatadas na literatura. Dentre todas as superfícies avaliadas, foram construídas as interfaces mais estáveis e avaliadas a sua estabilidade junto com suas propriedades eletrônicas. Como a pirita e arsenopirita apresentam diferentes (i) distâncias de ligação e (ii) parâmetros das redes cristalinas, não é possível combinar perfeitamente as fases. Como consequência, sítios octaédricos distorcidos e tensões estruturais são formados na região interfacial. Esta observação está de acordo com a análise do trabalho de adesão estimado e com os cálculos de energia de formação. Ambos os parâmetros sugerem que a formação da interface pirita/arsenopirita não é termodinamicamente favorável. Isto está de acordo com o que é observado em amostras naturais. A reatividade local das interfaces foi avaliada a partir da adsorção de água (Capítulo 4). Foram encontrados valores de adsorção comparáveis entre as três interfaces FeS2/FeAsS e as fases isoladas (FeS2 e FeAsS). Isto sugere que a possível formação da interface ocorre sem modificar as propriedades ácido-base de Lewis dos sítios ativos na ruptura do material. Cálculos de Band Offset (Capítulo 5) mostraram que seus valores de band gap das interfaces são pelo menos três vezes menores que os valores encontrados para a pirita ou a arsenopirita isoladas. Uma vez que os sulfetos minerais são materiais semicondutores que podem participar de reações eletroquímicas, a diminuição do band gap facilita a transferência de elétrons ao longo de sua estrutura. Este fato contribui para explicar por que as interações galvânicas aumentam a oxidação de arsenopirita na presença de pirita. O presente estudo ressalta a importância de efeitos galvânicos para entender o mecanismo de oxidação da arsenopirita na presença de pirita.xviii Foi desenvolvida uma metodologia capaz de simular a interface água/pirita (capítulo 6). É sabido na literatura que o método DFTB2 não descreve bem propriedades estáticas e dinâmicas da água líquida. Por isso foi feito a reparametrização dos parâmetros DFTB2 a partir de uma correção empírica da energia de repulsão DFTB2 construindo os parâmetros nomeados nesta tese como water-matsci. Funções radiais do tipo O-O e O-H foram descritas com ótimo acordo com dados experimentais. Além disso, os novos parâmetros são capazes de descrever a tetraedralidade das moléculas de água nas temperaturas de 298 e 254 K. Finalmente, foi observado que a modificação dos parâmetros não modifica a energia de adsorção de água na superfície (100) da pirita. Os cálculos de uma nova rota para a oxidação da espécie adsorvida SO2 amplia a compreensão do mecanismo de oxidação da pirita (Capítulo 7). Até o momento apenas as etapas iniciais do processo de oxidação da pirita foram feitas a partir de cálculos teóricos. De acordo com os nossos cálculos, observa-se que a dissociação da espécie SO2 pode ocorrer sobre a superfície (100) da pirita. A energia de ativação (0.44 eV) foi estimada em aproximadamente metade do valor da energia de ativação da etapa limitante da reação global (0.80 eV), o que sugere que esta espécie pode ser formada na superfície da pirita. Além do mais, a espécie SO2 leva a formação dos intermediários SO3 e SO4 com energias de ativação menores que 0.16 eV (valor 5 vezes menor que a etapa limitante). Outro aspecto importante do mecanismo proposto por nossos cálculos é o fato que a molécula de oxigênio é capaz de reagir com a espécie SO2 na superfície. Esse tipo de reação sobre a superfície da pirita ainda não tinha sido explorado por cálculos teóricos, porém já tinha sido sugerido com análises experimentais. A rota investigada de oxidação do SO2 adsorvido pelo oxigênio molecular foi denominada reações do Tipo III que ocorrem na superfície da pirita. Galvanic effects play an important role in the oxidation mechanism of sulfide minerals. Pyrite (FeS2) is the most common sulfide mineral in the Earth, and in the presence of arsenopyrite (FeAsS) its oxidation is delayed and the oxidation rate of arsenopyrite is increased, releasing As(III) and As(V) species in the medium. These arsenic ions are anenvironment hazards and become health problem in the vicinities of the mining regions. We report a DFT/plane waves study of the pyrite/arsenopyrite galvanic cell (Chapter 3). To build the interface models we tested the commensurability of the pyrite (100) surface (the pyrite surface with highest occurrence in the nature) with the twelve arsenopyrite surfaces reported in the literature. Among all evaluated surfaces the most stable interfaces were built, and their structure, stability, and electronic properties were evaluated. As pyrite and arsenopyrite have different (i) bond distances and (ii) crystal lattice parameters, it is not possible to perfectly match the phases, and distorted octahedral sites are formed in the interfacial region. Consequently, strained structures are observed. This structural observation agrees with the word of adhesion and the formation energy analysis. Both parameters suggest that the formation of FeS2/FeAsS interface is not favourable. This is in agreement with what is observed in natural samples. The local reactivity of the interfaces was evaluated by water adsorption energies (Chapter 4). Comparable adsorption values were found among the interfaces (FeS2/FeAsS) and isolated phases (FeS2 and FeAsS). This suggests that the possible interface formation would occur without modifying the Lewis acid-base properties of the active sites in the event of material rupture. Band offset (Chapter 5) calculations for the most stable interfaces showed that their band gap values are at least three times lower than the values found for the pure pyrite or arsenopyrite. Since sulfide minerals are semiconductor materials that can participate in electrochemical reactions, the decrease in the band gap thus facilitates electron transfer at the pyrite/arsenopyrite interface. This fact contributes to explain why the galvanic interactions increase the oxidation of arsenopyrite in the presence of pyrite. The present study underlines the importance of galvanic effects to understand the oxidation mechanism of arsenopyrite in the presence of pyrite. It was developed a methodology capable of simulating the water/pyrite interface (chapter 6). It is known in the literature that the DFTB2 method does not describe well static and dynamic properties of liquid water. Therefore, the DFTB2 parameters were reparametrized from an empirical correction of the DFTB2 repulsion energy by constructing the parameters labelled in this thesis as water-matsci. Radial functions of type gO-O and gO-H were described in agreement with experimental data. In addition, the new parameters are capable of describing the tetrahedrality of the water molecules at temperatures 298 and 254 K. Finally, it was observed that the modification of the parameters does not modify the water adsorption energy at the pyrite surface (100). All calculations of a new route for the adsorbed SO2 oxidation extend the knowlegment about the pyrite oxidation mechanism (Chapter 7) As far as we know, only the initial stages of the pyrite oxidation process have been made from theoretical calculations. According to our calculations, it is observed that the dissociation of SO2 species can occurs on the surface. The activation energy (0.44 eV) was estimated to be approximately two times the activation energy of the limiting step of the global reaction (0.80 eV), suggesting that this species can be formed on the pyrite surface. Moreover, the SO2 species leads to the formation of adsorbed SO3 and SO4 species on the surface with activation energies lower than 0.16 eV (this value is 5 times less than the rate limiting step). Another important aspect of the mechanics proposed by our calculations is the fact that oxygen molecule is capable to react with the SO2 species on the surface as it was suggested by experimental analyses, but up to date, it was not theoretically calculated. The investigated route for the adsorbed SO2 oxidation by the molecular oxygen was labelled as Type IIIreactions that occur on the pyrite surface.

A descrição da reatividade química na interface sólido/líquido é um desafio para a simulação computacional e a modelagem molecular. Nesta tese, dois processos químicos que ocorrem na interface sólido/líquido, de extrema importância científica e tecnológica foram investigados: a reatividade química da calcopirita e a separação água/álcool através de uma metal-organic framework [MOF]. Calcopirita é um sulfeto de ferro e cobre (CuFeS2) de grande importância econômica por ser a principal fonte de cobre do planeta. A lixiviaçãc lenta desse minério tem intrigado pesquisadores que buscam compreender o seu mecanismo molecular. A primeira etapa desse processo foi investigada e consiste na reconstrução das superfícies da calcopirita e sua interação com moléculas de água e de íons presentes na solução lixiviante. Superfícies terminadas em enxofre se reconstroem formando grupos dissultetos (S2 ind2-), enquanto que superfícies terminadas em metais se reconstroem formando uma liga metálica bidimensional Moléculas de água adsorvem-se na calcopirita através da formação de uma ligação covalente com átomos de Fe. A adsorção de HCl e das diferentes espécies do H2SO4 ocorre através da ligação covalente dos ánions derivados dos ácidos com o Fe na superfície do mineral. O impacto destes resultados para a compreensão do mecanismo de reação foi discutido. 0 mecanismo de separação da mistura etanol/água na MOF Zn2(BDC);(TED) [BDC: benzeno-l,4-dicarboxilato, TED: trietilenodiamino] também foi investigado nesta tese. Esse material possui potencial de aplicação 11a produção do bioetanol e teria profundo impacto na matriz energética brasileira. A modelagem desse sistema, contudo, esbarra em diversos desafios teóricos como a descrição de interações fracas e a escolha de modelos adequados. Cálculos DFT e um modelo periódico da MOF permitiram identificar o mecanismo de separação dos constituintes da mistura A combinação de sítios hidrofílicos e hidrofóbicos próximos explicam a seletividade do material por etanol em detrimento de água através da combinação de ligações de hidrogênio com interação de van der Waals da cadeia alquílica do álcool. The description of the chemical reactivity in the solid/liquid interface is a challenge for computational simulation and molecular modelling. In this thesis, two chemical processes in the solid/liquid interface, which are important from the scientific and technological point of view, were investigated: the reactivity of chalcopyrite and the water/ethanol separation in a metal>organic framework (MOF). Chalcopyrite is an iron and copper sulphide (CuFeS2), which is very important, because is the main source of copper in the world. Its slow leaching kinetic intrigues researchers, who spend efforts for understanding the molecular mechanism related to this process. The first step of this process was investigated consisting the surface reconstruction and its interaction with water and ions present in the leaching solution. Sulphur terminated surfaces reconstruct forming disulphide (S22>), while metal terminated surfaces reconstruct forming a bidimensional alloy>like structure. Water molecules adsorb on chalcopyrite surface bonding covalently to iron atoms. Similarly, HCl and different chemical species of H2SO4 adsorb on the iron sites of the reconstructed surfaces by a covalent bond. The impact of these results in the understanding of the reaction mechanisms was discussed in details. The separation mechanism of the ethanol/water mixture in the MOF Zn2(BDC)2(TED) [BDC: benzene>1,4>dicarboxilate, TED: triethylenediamine) was also investigated in this thesis. This material could be used in the ethanol production, having important impact in the whole Brazilian energetic program. The modelling of this system, however, is limited by several theoretical difficulties such as the description of weak intermolecular interactions and the choice of appropriate chemical models. DFT calculations combined with a periodic model allowed us to identify the separation mechanism of the mixture components. The combination of hydrophilic and hydrophobic sites geometrically close explains the material selectivity for ethanol than water due to the combination of hydrogen bonds and van der Waals interaction of the carbon chain of alcohol. The reasoning of the experimental results