Thesis (Ph. D.)--University of Wisconsin--Madison, 1970. / Typescript. Vita. Includes bibliographical references.

Universiẗat, Diss., 2001--Dortmund.

O presente estudo procura dar continuidade a um dos ramos de pesquisa desenvolvidos na área de Analítica do Instituto de Química da USP, onde se procura estudar a química de complexos formados entre diferentes metais e o ânion azoteto, N-3. O cátion índio(III), à semelhança do que ocorre com o ferro (III), complexa com o ânion azoteto em meio aquoso. Este poder de complexação foi constatado em estudos polarográficos do sistema In N3+ / N-3 ora em desenvolvimento. A obtenção das constantes de estabilidade dos complexos formados entre o In3+ e o ligante azoteto, por via potenciométrica, baseia-se na alteração do pH do tampão formado por N-3 e o ácido fraco HN3, quando se adicionam íons In3+. O acompanhamento da variação da concentração hidrogeniônica foi f.eito com o auxílio do eletrodo de vidro combinado. A concentração de N-3 de equilíbrio variou de valores próximos de zero a 90 mM, para que se obtivessem dados na mais larga faixa de concentraç6es de ligante. Manteve-se a força iônica das soluções em 2,00OM (NaCI04) e trabalhou-se a 25,0οC. A análise dos dados experimentais e tratamento matemático dos mesmos, evidenciaram a formação de complexos mononucleares e os valores das constantes globais encontrados foram: β1 = (2,0 ± 0,1) x 103M-1 β2 = (7 ± 3) x 105M-2 β3 = (5 ± 1) x 107M-3 β4 = (7 ± 3) x 108M-4 / The present study is a branch of the main work concerned with the complex formation between several metal cations and azide anion in aqueous media. Indium (III) was selected, in analogy to iron (III), because forms complexes with azide in aqueous media. Polarographic studies in development showed the tendency of these complexation. To determine the stability constants of complexes was used potentiometric method using glass e1ectrode. The main advantage is based on pH modification of the buffer solution constituted by azide and hidrazoic acid (N-3;/HN3) when indium (III) cations are added in the buffer. The azide concentration was a1tered from near zero to 90 mM, the ionic strenght he1d at 2,000 M with sodium perchlorate and the temperature kept constant at 25,0°C. The evaluation of experimental data shawed mononuclear species and the global constants found were: β1 = (2,0 ± 0,1) x 103M-1 β2 = (7 ± 3) x 105M-2 β3 = (5 ± 1) x 107M-3 β4 = (7 ± 3) x 108M-4

A primeira parte deste trabalho trata do desenvolvimento de método analítico espectrofotométrico para o íon azoteto, N3-, baseado na formação da espécie CuN3+ que absorve em 375nm. Desenvoveu-se ainda método de separação do azoteto de um número considerável de possíveis interferentes. O método permite determinar de 3,57 a 23,10 µg/ml de azoteto. Na segunda parte estudou-se a viabilidade de estudo espectrofotométrico da formação de complexos sucessivos para o sistema cobre(II)/azoteto. Determinaram-se as absortividades molares dos quatro complexos, bem como suas constantes de formação, em força iônica 4,0M, confirmando e completando os dados obtidos anteriormente por Senise e Neves. O mesmo sistema, em condições de força iônica 2,0M, foi estudado em diversas temperaturas para obter dados de ΔH° de formação das quatro espécies (parte III). Estes dados, em combinação com outras da literatura, permitiram a obtenção dos valores de H°, S° e G° dos íons, bem como do sólido Cu(N3)2. / Part I deals with the development of an analytical spectrophotometric method for azide ion, N3-, based on the formation of CuN3+; species, which absorbs at 375 nm. A procedure has also been developed to separate azide from a potentially large number of interferents. The method is applied in the 3.57 to 23.10 µg/ml azide concetration range. In part II, the possibility to study the step-wise complex formation in the copper(II)/azide system has been shown by spectrophotometric method. The molar absortivity of four complexes has been determined as well as the corresponding formation constant, at ionic strength 4.0 M. These results confirm and oomplete previous data obtained by Senise and Neves. The same system at ionic strength 2.0 M was studied at several temperatures to obtain Δ H° of formation of the four species (part III). These data, combined with values from the literature, lead to H°, S° and G° of the ions, as well as to the complete thermodinamic description of the solid Cu(N3)2.

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O comportamento eletroquímico dos metais cobalto(II), níquel(II), manganês(II), ferro(II) e zinco(II) na presença do ligante azoteto foi estudado em duas condições: variando-se a concentração do ligante em solução de 0 a 2,0 mol/L e apenas tendo-o pré-adsorvido na superficie do eletrodo de mercúrio, buscando-se assim esclarecer os fenômenos determinantes na extensão da atuação do ligante como mediador facilitando a etapa de transferência de elétrons do eletrodo para o metal. Os resultados obtidos nas duas séries de experimentos mostraram ser a extensão da atuação do ligante como mediador dependente do metal estudado. No primeiro caso a adição gradativa de azoteto às soluções que contêm os cátions metálicos causa a antecipação progressiva da onda de redução dos metais Co(II) e Ni(II), o deslocamento para potenciais progressivamente mais negativos no caso dos metais Mn(II) e Fe(II) e, para o Zn(II), uma pequena antecipação em baixas concentrações do ligante e em seguida o aumento de sobretensão. Tendo-se apenas o ligante adsorvido na superficie do eletrodo, verifica-se a diminuição da sobretensão de redução dos metais Co(II) e Ni(II), um pequeno aumento no caso do metal Zn(II) e a completa eliminação da reação de eletrodo para o Mn(II). As diferenças observadas nos dois experimentos, comprovaram a importância do fenômeno de complexação na superficie do eletrodo para que se verifique a atuação do ligante como mediador. No entanto, apesar da necessidade de ocorrer a interação do metal com o ligante para facilitar a reação de transferência de elétrons, o complexo formado na superficie do eletrodo não pode ser termodinamicamente mais estável que o aquo-íon do metal, pois neste caso ao invés da diminuição da sobretensão de redução do metal irá se registrar o deslocamento do potencial de redução diretamente para potenciais mais negativos. / The electrochemical behaviour of cobalt(II), nickel(II), manganese(II), iron(II) and zinc(II) was studied in the presence of azide in two conditions: varying the ligand concentrations in solution from 0.0 to 2.0 mol/L and just pre-adsorbing it onto the mercury electrode surface, in order to evaluate the determining aspects on the extent of the action of the ligand as a mediator in facilitating electron transfer. The results obtained in the two sets of experiments showed to what extent the action of the ligand as a mediator is dependent on the metal studied. In the first case, the addition of azide to solutions of these metaIs causes the following: a progressive anticipation in the reduction waves of Co(lI) and Ni(II); the shift towards more negative potentials for Mn(II) and Fe(II); and for Zn(TT) a small shift towards more positive potentials at low azide concentrations followed by a shift towards more negative potentials. The experiments carried out with the pre-adsorption ofthe azide onto the mercury surface showed the shift of the reduction waves of Co(lI) and Ni(II) towards more positive potentials, a small shift towards more negative potentials for Zn(II) and the complete elimination of the electrode reaction for Mn(II). The differences observed in the two experiments proved the importance of the complexation phenomenon onto the electrode surface in order to occur the action of the ligand as a mediator. However, inspite of the need of the interaction between metal and ligand to facilitate the electron transfer, the complex formed onto the electrode surface cannot be thermodynamically more stable than its metal aquo-ion, as in this case it will be observed the shift of the reduction potential towards more negative potentials.

O comportamento eletroquímico dos metais cobalto(II), níquel(II), manganês(II), ferro(II) e zinco(II) na presença do ligante azoteto foi estudado em duas condições: variando-se a concentração do ligante em solução de 0 a 2,0 mol/L e apenas tendo-o pré-adsorvido na superficie do eletrodo de mercúrio, buscando-se assim esclarecer os fenômenos determinantes na extensão da atuação do ligante como mediador facilitando a etapa de transferência de elétrons do eletrodo para o metal. Os resultados obtidos nas duas séries de experimentos mostraram ser a extensão da atuação do ligante como mediador dependente do metal estudado. No primeiro caso a adição gradativa de azoteto às soluções que contêm os cátions metálicos causa a antecipação progressiva da onda de redução dos metais Co(II) e Ni(II), o deslocamento para potenciais progressivamente mais negativos no caso dos metais Mn(II) e Fe(II) e, para o Zn(II), uma pequena antecipação em baixas concentrações do ligante e em seguida o aumento de sobretensão. Tendo-se apenas o ligante adsorvido na superficie do eletrodo, verifica-se a diminuição da sobretensão de redução dos metais Co(II) e Ni(II), um pequeno aumento no caso do metal Zn(II) e a completa eliminação da reação de eletrodo para o Mn(II). As diferenças observadas nos dois experimentos, comprovaram a importância do fenômeno de complexação na superficie do eletrodo para que se verifique a atuação do ligante como mediador. No entanto, apesar da necessidade de ocorrer a interação do metal com o ligante para facilitar a reação de transferência de elétrons, o complexo formado na superficie do eletrodo não pode ser termodinamicamente mais estável que o aquo-íon do metal, pois neste caso ao invés da diminuição da sobretensão de redução do metal irá se registrar o deslocamento do potencial de redução diretamente para potenciais mais negativos. / The electrochemical behaviour of cobalt(II), nickel(II), manganese(II), iron(II) and zinc(II) was studied in the presence of azide in two conditions: varying the ligand concentrations in solution from 0.0 to 2.0 mol/L and just pre-adsorbing it onto the mercury electrode surface, in order to evaluate the determining aspects on the extent of the action of the ligand as a mediator in facilitating electron transfer. The results obtained in the two sets of experiments showed to what extent the action of the ligand as a mediator is dependent on the metal studied. In the first case, the addition of azide to solutions of these metaIs causes the following: a progressive anticipation in the reduction waves of Co(lI) and Ni(II); the shift towards more negative potentials for Mn(II) and Fe(II); and for Zn(TT) a small shift towards more positive potentials at low azide concentrations followed by a shift towards more negative potentials. The experiments carried out with the pre-adsorption ofthe azide onto the mercury surface showed the shift of the reduction waves of Co(lI) and Ni(II) towards more positive potentials, a small shift towards more negative potentials for Zn(II) and the complete elimination of the electrode reaction for Mn(II). The differences observed in the two experiments proved the importance of the complexation phenomenon onto the electrode surface in order to occur the action of the ligand as a mediator. However, inspite of the need of the interaction between metal and ligand to facilitate the electron transfer, the complex formed onto the electrode surface cannot be thermodynamically more stable than its metal aquo-ion, as in this case it will be observed the shift of the reduction potential towards more negative potentials.

Na área de Química, uma das linhas mais tradicionais de pesquisa envolve o estudo de formação de complexos. Estes trabalhos são realizados de modo sistemático em nossos laboratórios, geralmente envolvendo cátions de metais de transição com vários ligantes (haletos, pseudo-haletos e carboxilatos). A intensa coloração desenvolvida pela maioria dessas reações de complexação, entre um metal e um pseudo-haleto, tem motivado o desenvolvimento de novos métodos espectrofotométricos para a determinação de íons em amostras reais. Espera-se que o crômio(III), da mesma forma que outros metais de transição, como o ferro, níquel e cobalto, forme complexos com o pseudo-haleto denominado azida ou azoteto (N3-). Desta forma, dando continuidade a esta linha de pesquisa, este trabalho teve como objetivo otimizar as condições experimentais para o sistema crômio(III)/azoteto. Diversos parâmetros como acidez, concentração de ligante, natureza e concentração de solvente, bem como o efeito da temperatura, foram investigados. Reunidas as melhores condições (otimização), montou-se o método analítico que possibilita a determinação do metal. As condições ideais empregadas foram: concentração analítica de ligante e ácido perclórico de 493 e 12,0 mmol L-1, respectivamente, numa temperatura de 25ºC, em meio aquoso. Para a determinação no ultravioleta, o tempo de espera para cada medida foi de 1 hora, enquanto que na região do visível, foi de apenas 30 minutos. Os máximos de absorção ocorreram em torno de 646, 480 e 287 nm, com coeficientes de absortividade molar médios de 184±1, 157±1 e (1,481±0,008) 104 L mol-1 cm-1, respectivamente. As condições estabelecidas foram promissoras, permitindo uma boa repetitividade nas regiões do visível e ultravioleta. Para o método desenvolvido, os íons mais interferentes na região do visível foram: Fe3+, Co2+ e Cu2+ e, na região do ultravioleta, foram HC8H4O4-, Fe3+, Cu2+ e Hg2+. Por meio de um sistema com duas equações, a determinação simultânea de crômio e ferro mostrou-se possível e com erros dentro dos limites analiticamente aceitáveis. Sem a utilização do sistema de equações, verificou-se ainda a possibilidade de se determinar crômio diretamente, mesmo na presença de ferro, no comprimento de onda de 646,5 nm, com um erro menor que 5%, desde que a concentração de ferro não ultrapasse 4 mg L-1. Aplicações analíticas para o método proposto foram testadas em dois suplementos alimentares contendo crômio. Os resultados foram comparados e mostraram-se concordantes com os da técnica de espectrometria de absorção atômica, para o suplemento contendo crômio quelato. Para o suplemento alimentar contendo picolinato de crômio, houve uma discordância dos resultados, indicando a existência de interferentes da matriz que não puderam ser eliminados. Um teste com uma amostra sintética de crômio mostrou um erro de cerca de 1,0% para o método proposto. Em condições ideais, e com um controle dos interferentes presentes, o método proposto mostra-se preciso, simples e barato. Considerando valores de absorbância entre 0,2 e 0,8 (faixa ideal), pode-se determinar o metal nos intervalos de 1,27 a 5,09 mmol L-1 a 480,5 nm, de 1,09 a 4,35 mmol L-1 a 646,5 nm e, finalmente, entre 0,702 a 2,81 mg L-1 no ultravioleta (287 nm). / In Chemistry, the study of complexes formation is one of the most traditional research lines. These studies are done under systematic manners in our laboratories, usually involving metallic transition cations with several ligands (halides, pseudohalides and carboxylates). The intense coloration developed by the major part of those complexation reactions, between a metal and a pseudohalide, has encouraged the development of new spectrophotometric methods for determination of ions in real samples. Conforming others transition metals, (iron, nickel and cobalt), which form complexes with the pseudohalide azide (N3-), we tried to observe the same behavior to chromium(III). Continuing this research line, this work had as principal objectives optimizes the experimental conditions for the chromium(III)/azide system. Several parameters were investigated as acidity, ligand concentration, nature and solvent concentration, as well as temperature effect for optimization of experimental conditions. Gathering all these conditions, the analytical methods were tested for the metal determination. The ideal conditions employed were: analytical ligand concentration and perchloric acid of 493 and 12.0 mmol L-l respectively, at 25 °C, in aqueous medium. For the studies in the ultraviolet region, the contact time before the measures was one hour, while for studies in the visible band measures were made after 30 minutes. The wavelengths of maximum absorption were encountered at 646, 480 and 287 nm, with molar absorptivity coefficients (mean) of 184±1, 157±1 and (1.481±0,008) 104 L mol-1 cm-1, respectively. The established conditions were promising, allowing a good precision in the visible and ultraviolet region. For the developed method, the more interfering ions on visible band were: Fe3+, Co2+ and Cu2+ and, on the ultraviolet band, were HC8H4O4-, Fe3+, Cu2+ and Hg2+. Through a system of two equations, the simultaneous determination of chromium and iron ions was possible with errors within the tolerance range. Without the simultaneous equations system, it was verified directly the possibility of chromium determination in the presence of iron, at a wavelength of 646.5 nm, with an error smaller than 5%, since the concentration of iron doesn’t exceed 4 mg L-l. In this proposed method, analytical applications were tested for two alimentary supplements containing chromium. The results were compared, being concordant with those of atomic absorption technique for the supplement containing chromium chelate, while for the alimentary supplement containing chromium picolinate, the results were in disagreement with the results, indicating the existence of matrix interferences which could not be eliminated. A test with a synthetic sample of chromium had an error of about 1.0% for the proposed method. Under ideal conditions, and with some control of possible interfering, the proposed method can be precise, accurate, simple and cheap. Considering the absorbance values between 0.2 and 0.8 (ideal range), the metal can be determined from 1.27 to 5.09 mmol L-l in 480 nm; 1.09 to 4.35 mmol L-l in 646 nm and, finally, from 0.702 to 2.81 mg L-l at 287 nm (ultraviolet).

Realizaram-se estudos potenciométricos, em combinação com medições espectrofotométricas, para caracterizar a espécie de íon manganês obtida a partir de oxidação coulométrica a corrente constante utilizando-se solução de Mn(II) (0,050 mol.L-1) em N3- (0,50 a 2,0 mol.L-1) e H+ (0,01 mol.L-1). Graficamente foi possível concluir que a espécie gerada é Mn(III) e obter os valores dos potenciais condicionais de redução, E0\'x, do par Mn(III)/Mn(II), em soluções tampão N3-/HN3, de concentração de N3- 0,50; 1,0; 1,5; 2,0 e 4,0 mol.L-1 e H+ 0,010 mol.L-1, sendo 0,468, 0,421, 0,396, 0,377 e 0,336 V (vs. ECS), respectivamente. Esses valores de E0\'x permitiram o cálculo das constantes de equilíbrio para os complexos no sistema Mn(III)/N3-, sendo: β1 = 1,23.105 M-1, β2 = 6,03.108 M-2, β3 = 2,37.1011 M-3, β4 = 1,54.1011 M-4 e β5 = 9,57.1011 M-5 (T = 25,0 ± 0,1 ºC, I = 2,0 mol.L-1 com NaClO4). Os valores calculados para as absortividades molares, em 430 nm, para as espécies [Mn(N3)3], [Mn(N3)4]- e [Mn(N3)5]2- foram 226, 3.680 e 6560 mol-1.L.cm-1, respectivamente. Para o estudo do cátion Co(II), foram efetuadas oxidações coulométricas da mesma forma e nas mesmas condições que para o cátion Mn(II). Os valores de E0\'x encontrados para o par Co(III)/Co(II) foram 0,400, 0,338, 0,302, 0,277 e 0,228 V (vs. ECS), para as concentrações de N3- 0,50; 1,0; 1,5; 2,0 e 4,0 mol.L-1 e H+ 0,010 mol.L-1. Com os valores de E0\'x obtidos para os pares Co(III)/Co(II) e Mn(III)/Mn(II), calcularam-se as constante de equilíbrio global, K, para a reação redox entre [Co(N3)n]3-n e [Mn(N3)n]2-n, encontrando-se os valores 7,1xl0-2, 4,0x10-2, 2,6x10-2, 2,0x10-2 e l,5x10-2, para os tampões acima descritos, respectivamente. Outros estudos revelaram a possível formação da espécies Mn(VI) quando KMnO4 e K2MnO4 são adicionados, separadamente, a uma solução tampão azoteto, por exemplo, N3- = 1,5 mol.L-1 e HN3 = 0,05 mol.L-1. / Spectrophotometric studies combined with coulometric generation of Mn(III), in presence of large excess of Mn(II), showed a maximum absorbance peak at 430 nm. The average molar absorptivity increases with azide concentration (0.44 to 3.9 mol.L-1) from 3,100 to 6,300 mol-1.L.cm-1, showing a stepwise complex formation. Potential measurements of the Mn(III)/Mn(II) system in several azide aqueous buffers solutions: 1.0x10-2 mol.L-1 HN3, (0.50 to 2.0 mol.L-1) N3- and 5.0x10-1 mol.L-1 Mn(II) and constant ionic strength 2.0 mol.L-1, kept with sodium perchlorate, leads to the conditional potential, E0\'x, in several azide concentrations at 25.0 ± 0.1 ºC (0.468, 0.421, 0.396, 0.377 e 0.336 V (vs. SCE) for the 0.50; 1.0; 1.5; 2.0 and 4.0 mol.L-1 N3- concentration, respectively). Considering the overall formation constants of Mn(II)/N3-, from former studies, and the potential, E0\'s = 1.063 V vs. SCE, for Mn(III)/Mn(II) system in non-complexing medium, it was possible to calculate the Fronaeus function, F0(L), and the following overall formation constants: β1 = 1.2x105 M-1, β2 = 6.0x108 M-2, β3 = (2.4±0.7)x1011 M-3, β4 = (1.5±0.5)x1011 M-4 and β5 = (9.6±.0.8)x1011 M-5 for the Mn(III)/N3- complexes. The molar absorptivity values, at 430 nm, found for the species [Mn(N3)3], [Mn(N3)4]- and [Mn(N3)5]2- were 226, 3,680 and 6,560 mol-1.L.cm-1, respectively. Similar studies with Co(II) in the same conditions, lead to the following conditional potentials, E0\'x, for the Co(III)/Co(II) system: 0.400, 0.338, 0.302, 0.277 e 0.228 V (vs. SCE). Using the E0\'x values obtained for both systems, Co(III)/Co(II) and Mn(III)/Mn(II), it was possible to calculate the equilibrium constant for the redox reaction between [Co(N3)n]3-n and [Mn(N3)n]2-n. The values found were 7.1xl0-2, 4.0x10-2, 2.6x10-2, 2.0x10-2 and 1.5x10-2, for 0.50; 1.0; 1.5; 2.0 and 4.0 mol.L-1 N3- concentration, respectively, in the same acidity (1.0x10-2 mol.L-1 HN3).

This dissertation focuses on the synthesis and characterization of glyconanomaterials, as well as their applications in studying carbohydrate-protein interactions. A new and versatile method for coupling underivatized carbohydrates to nanomaterials including gold and silica nanoparticles was developed via the photochemically induced coupling reaction of perfluorophenylazide (PFPA). A wide range of carbohydrates including mono-, oligo- and poly-saccharides were conjugated to the nanoparticles with high yields and efficiency. New analytical methods were developed to determine the binding affinities of glyconanoparticles (GNPs) with lectins; these include fluorescence-based competition assay, dynamic light scattering (DLS) and isothermal titration calorimetry (ITC). Results showed that the multivalent presentation of carbohydrate ligands significantly enhanced the binding affinity of GNPs by several orders of magnitude compared to the free ligands. Systematic studies were carried out to investigate the impact of ligand presentation, i.e., the type and length of spacer linkage, the ligand density and the nanoparticle size on the binding affinity of the resulting glyconanoparticles. We used gold GNPs to study interactions with anti-HIV lectin cyanovirin-N (CV-N), and dye-doped silica nanoparticles for labeling glyans and developing high-throughput screening technique.