A química computacional, uma importante e crescente área da química teórica, vem sendo empregada com grande sucesso no entendimento dos mais variados tipos de sistemas químicos. Focando na interação entre arsênio e carbono, o presente trabalho apresenta duas situações distintas: uma que engloba o menor sistema formado entre eles, o radical CAs, e outra que traz a interação da superfície C(100) do diamante com o átomo de arsênio e a sua forma hidreto, ou seja, os sistemas C(100)+As e C(100)+AsH3. No primeiro caso, um tratamento de alto nível de correlação eletrônica (MRCI/aV5Z) é feito, permitindo se obter as propriedades espectroscópicas associados aos estados eletrônicos de mais baixa energia do radical. No estudo envolvendo a superfície C(100), dois modelos distintos de aglomerados foram adotados na representação do sólido: o modelo QM (C15H16) e o QM/MM (C292H120). A aproximação híbrida é baseada no método SIMOMM que é indicado para o tratamento de superfícies sólidas. Os dados estruturais e energéticos dos pontos de mínimos identificados nas duas diferentes aproximações foram contrastados, sugerindo que o modelo de aglomerado QM/MM é capaz de representar melhor o problema real. / Computational chemistry, a growing and important area in theoretical chemistry, has been successfully employed to understand many types of chemical systems. Focusing on the interaction between carbon and arsenic, this work presents two distinct situations: one is the study of the smallest system formed between them, the CAs radical, and another one where the diamond C(100) surface interacts with an arsenic atom and its hydride form, i.e. , the C(100)+As and C(100)+AsH3 systems. In the first case, a high-level (MRCI/aV5Z ) calculation was performed, allowing us to obtain the spectroscopic properties of the low-lying electronic states. In the study of the diamond C(100) surface, two different cluster models were used to represent the solid: one QM (C15H16) and the other QM/MM (C292H120). The hybrid approach is based on the SIMOMM method, that is recommended for dealing with solid surfaces. Energetic and structural aspects associated with the minimum energy species were contrasted for both a pproaches, suggesting that the QM/MM model is able to better represent the real problem.

Un pont de dihidrogen (dihydrogen bond,DHB) és un tipus de pont d'hidrogen atípic que s'estableix entre un hidrur metàl·lic i un donador de protons com un grup OH o NH. Els ponts de dihidrogen són claus en les característiques geomètriques i altres propietats de compostos que en presenten tan de molècules petites com el dímer de NH3BH3, com d'estructures superiors més complicades com complexes metàl·lics o sòlids. Poden ser útils aplicats a certes molècules o síntesis moleculars per a obtenir nous materials amb propietats o característiques fetes a mida. El treball d'aquesta tesi està orientat a millorar la comprensió dels ponts de dihidrogen, aprofundint en certs aspectes de la seva naturalesa atòmica/molecular utilitzant mètodes teòrics basats en la química física quàntica. / A dihydrogen bond (or DHB) is a kind of unconventional hydrogen bond, established between a metal hydride bond and a proton donor like OH or NH. They are the key to important structure features and properties in compounds which have them. They can be responsible for the specific geometry not only of small molecules like the NH3 BH3 dimer, but also of higher structures like metallic complexes or solids. It is in this fashion that dihydrogen bonds can be profitable, up to a plausible extent, when they can be used in certain molecules or certain syntheses to obtain a new material with particular or even tailored properties or geometries. The work developed in this thesis is aimed to have a deeper understanding of dihydorgen bonds, deepening on certain aspects using theoretical methods.

A espectrometria de massas, acoplada ou não a outras técnicas, tem sido de grande utilidade na determinação de novos compostos, produtos de transformação/degradação, metabólitos e na quantificação em nível de traços nas mais diferentes matrizes, devido à grande versatilidade dessa técnica, especialmente em relação aos modos de análise. Neste trabalho foi sistematizada uma metodologia para a aplicação das técnicas de espectrometria de massas na identificação de produtos de transformação/degradação de fármacos de uso humano e veterinário. Ferramentas da química computacional foram utilizadas para auxiliar na elucidação das estruturas dos compostos formados. A metodologia foi empregada para a identificação e quantificação dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina, gerados durante o processo de fotocatálise heterogênea com ZnO, para a identificação dos produtos de transformação/degradação gerados durante a fotólise em meio aquoso do sulfamentoxazol, ciprofloxacino e norfloxacino, e para a quantificação da amoxicilina transferida ao leite bovino. A viabilidade de se realizar a identificação de metabólitos da amoxicilina presentes no leite bovino por meio do mesmo processo de preparo de amostra e de análise utilizado para a quantificação também foi avaliada. Foram identificados dez principais produtos de transformação/degradação da fotocatálise da rosuvstatina, dez principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do sulfametoxazol, quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do ciprofloxacino e quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do norfloxacino. A metodologia empregada para a quantificação da amoxicilina em leite bovino se demostrou adequada, mas estudos adicionais são necessários para que seja possível identificar os seus metabólitos nessa matriz. Os resultados dos cálculos ab initio que foram utilizados para o estudo dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina e sulfametoxazol mostram que essa técnica pode ser bastante útil na elucidação estrutural dos compostos que são formados. / Mass spectrometry, coupled or not with other techniques, is very useful for the determination of new compounds, transformation/degradation products, metabolites and quantification at trace levels in many different matrices, due to the versatility of such a technique, specially regarding to analysis modes. In the present work a methodology was systematized for the application of mass spectrometry techniques in order to identify metabolites and transformation/degradation products for human and veterinary drugs usage. Computational chemistry tools were used to assist in the elucidation of the structure of the compounds formed during the process. The methodology was employed for identification and quantification of rosuvastatin transformation/degradation products generated during the heterogeneous photocatalysis process with ZnO, for the identification of sulfamethoxazole, ciprofloxacin and norfloxacion transformation/degradation products generated during the photolysis in aqueous medium and for quantifying amoxicillin transferred to bovine milk. The feasibility of identification of amoxicillin metabolites present in bovine milk using the same sample preparation procedure exploited for the quantification analysis was also assessed. Ten main transformation/degradation products of rosuvastatin photocatalysis were identified, as well as ten main transformation/degradation products of sulfamethoxaxole photolysis in aqueous medium, fifteen main transformation/degradation products of ciprofloxacin photolysis in aqueous medium and fifteen main transformation/degradation products of norfloxacin photolysis in aqueous medium. The methodology applied for the bovine milk amoxicillin quantification was demonstrated to be adequate, but additional studies are needed to identify amoxicillin metabolites in the milk matrix. The results of ab initio calculations utilised for the study of rosuvastatin and sulfamethoxazole transformation/degradation products show that this technique can be very useful for the structural elucidation of chemical compounds which are formed.

Submitted by ANA KARLA PEREIRA RODRIGUES (anakarla_@hotmail.com) on 2017-08-04T17:21:10Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 15443881 bytes, checksum: a81c2afaef7e1fccdeb2543bc340d5a1 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-04T17:21:10Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 15443881 bytes, checksum: a81c2afaef7e1fccdeb2543bc340d5a1 (MD5) Previous issue date: 2015-08-10 / Nitroaromatic compounds derived from Morita-Baylis-Hillman reaction (RMBH) have been tested in the treatment of most neglected diseases such as malaria, Chagas disease and leishmaniasis. An important experimental observation is the relation between biological activity (measured by IC50) and reduction potential of these compounds (estimated by the cathodic and anodic peak potentials determined by electroanalytical techniques), the latter directly connected to the reduction of the nitro group (-NO2 ). For this reason, electrochemical methods have been used in order to mimic the enzymatic bioreduction of these compounds, as reported by Vasconcellos et al. (J. Braz. Chem. Soc. 23:894, 2012). The objective of this work was to develop a computational protocol to predict the reduction potential in aprotic media to support the molecular modeling of new compounds with desired pharmacological activity. The developed direct protocol (for aprotic solvents) consists of performing DFT calculations with B98, PBE1PBE or M06-2X functionals with 6-31+G(d,p) basis set and C-PCM solvation method (with standard cavitation method UFF/VdW). The results show that it is possible to predict the experimental variation of the reduction potential of at least 70 % of confidence (in a range of experimental data of only 140 mV) with absolute average errors less than 45 mV (much less than the experimental uncertainty of the absolute reaction potential of hydrogen electrode, approximately 400 mV) and standard deviation of about 35 mV (inferior to 1,0 kcal/mol). The application of direct protocol for a series of 65 uncorrelated molecules, whose reduction potentials vary in a range of more than 6 V, provided a model with more than 99% of predictive power. From the application of the protocol to a series of 40 molecules, for which experimental results are not available, it was possible to predict that some of these structures may have more favorable potentials to bioreduction process than the systems used in the calibration step, which makes them candidates for new drugs. / Compostos nitroaromáticos derivados da reação de Morita-Baylis-Hillman (RMBH) vêm sendo testados no tratamento de doenças extremamente negligenciadas, tais como malária, doença de Chagas e leishmanioses. Uma importante observação experimental consiste na relação entre a atividade biológica (medida pelo IC50) e o potencial de redução (estimado pelos potencias de pico anódico e catódico determinados por técnicas eletroanalíticas) destes compostos, este último diretamente ligado à redução do grupo nitro (-NO2). Por esta razão, métodos eletroquímicos têm sido utilizados com o intuito de simular a biorredução enzimática destes compostos, como reportado por Vasconcellos e colaboradores (J. Braz. Chem. Soc. 23:894, 2012). O objetivo deste trabalho foi o de desenvolver um protocolo computacional para a predição de potenciais de redução em meio aprótico para auxiliar a modelagem molecular de novos compostos com a atividade farmacológica desejada. O protocolo direto desenvolvido (para solventes apróticos) consiste na realização de cálculos DFT com os funcionais B98, PBE1PBE ou M06-2X, com o conjunto de funções de base 6-31+G(d,p) e método de solvatação C-PCM (com o método de cavitação padrão UFF/VdW). Os resultados mostram que é possível prever a variação experimental do potencial de redução com pelo menos 70 % de confiança (em uma faixa de valores experimentais de apenas 140 mV) e erros médios absolutos inferiores a 45 mV (muito inferior à incerteza experimental do potencial de redução absoluto do eletrodo de hidrogênio, que é de cerca de 400 mV) e desvio-padrão de cerca de 35 mV (inferior a 1,0 kcal/mol). A aplicação do protocolo direto a uma série de 65 moléculas não-correlacionadas, cujos potenciais de redução variam em uma faixa de mais de 6 V, forneceu um modelo com mais de 99 % de poder preditivo. A partir da aplicação do protocolo a uma série de 40 moléculas, para as quais ainda não estão disponíveis resultados experimentais, foi possível prever que algumas destas estruturas podem possuir potenciais mais favoráveis ao processo de biorredução que os estudados na etapa de calibração, o que as tornam candidatos à novos fármacos.

A espectrometria de massas, acoplada ou não a outras técnicas, tem sido de grande utilidade na determinação de novos compostos, produtos de transformação/degradação, metabólitos e na quantificação em nível de traços nas mais diferentes matrizes, devido à grande versatilidade dessa técnica, especialmente em relação aos modos de análise. Neste trabalho foi sistematizada uma metodologia para a aplicação das técnicas de espectrometria de massas na identificação de produtos de transformação/degradação de fármacos de uso humano e veterinário. Ferramentas da química computacional foram utilizadas para auxiliar na elucidação das estruturas dos compostos formados. A metodologia foi empregada para a identificação e quantificação dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina, gerados durante o processo de fotocatálise heterogênea com ZnO, para a identificação dos produtos de transformação/degradação gerados durante a fotólise em meio aquoso do sulfamentoxazol, ciprofloxacino e norfloxacino, e para a quantificação da amoxicilina transferida ao leite bovino. A viabilidade de se realizar a identificação de metabólitos da amoxicilina presentes no leite bovino por meio do mesmo processo de preparo de amostra e de análise utilizado para a quantificação também foi avaliada. Foram identificados dez principais produtos de transformação/degradação da fotocatálise da rosuvstatina, dez principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do sulfametoxazol, quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do ciprofloxacino e quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do norfloxacino. A metodologia empregada para a quantificação da amoxicilina em leite bovino se demostrou adequada, mas estudos adicionais são necessários para que seja possível identificar os seus metabólitos nessa matriz. Os resultados dos cálculos ab initio que foram utilizados para o estudo dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina e sulfametoxazol mostram que essa técnica pode ser bastante útil na elucidação estrutural dos compostos que são formados. / Mass spectrometry, coupled or not with other techniques, is very useful for the determination of new compounds, transformation/degradation products, metabolites and quantification at trace levels in many different matrices, due to the versatility of such a technique, specially regarding to analysis modes. In the present work a methodology was systematized for the application of mass spectrometry techniques in order to identify metabolites and transformation/degradation products for human and veterinary drugs usage. Computational chemistry tools were used to assist in the elucidation of the structure of the compounds formed during the process. The methodology was employed for identification and quantification of rosuvastatin transformation/degradation products generated during the heterogeneous photocatalysis process with ZnO, for the identification of sulfamethoxazole, ciprofloxacin and norfloxacion transformation/degradation products generated during the photolysis in aqueous medium and for quantifying amoxicillin transferred to bovine milk. The feasibility of identification of amoxicillin metabolites present in bovine milk using the same sample preparation procedure exploited for the quantification analysis was also assessed. Ten main transformation/degradation products of rosuvastatin photocatalysis were identified, as well as ten main transformation/degradation products of sulfamethoxaxole photolysis in aqueous medium, fifteen main transformation/degradation products of ciprofloxacin photolysis in aqueous medium and fifteen main transformation/degradation products of norfloxacin photolysis in aqueous medium. The methodology applied for the bovine milk amoxicillin quantification was demonstrated to be adequate, but additional studies are needed to identify amoxicillin metabolites in the milk matrix. The results of ab initio calculations utilised for the study of rosuvastatin and sulfamethoxazole transformation/degradation products show that this technique can be very useful for the structural elucidation of chemical compounds which are formed.

A espectrometria de massas, acoplada ou não a outras técnicas, tem sido de grande utilidade na determinação de novos compostos, produtos de transformação/degradação, metabólitos e na quantificação em nível de traços nas mais diferentes matrizes, devido à grande versatilidade dessa técnica, especialmente em relação aos modos de análise. Neste trabalho foi sistematizada uma metodologia para a aplicação das técnicas de espectrometria de massas na identificação de produtos de transformação/degradação de fármacos de uso humano e veterinário. Ferramentas da química computacional foram utilizadas para auxiliar na elucidação das estruturas dos compostos formados. A metodologia foi empregada para a identificação e quantificação dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina, gerados durante o processo de fotocatálise heterogênea com ZnO, para a identificação dos produtos de transformação/degradação gerados durante a fotólise em meio aquoso do sulfamentoxazol, ciprofloxacino e norfloxacino, e para a quantificação da amoxicilina transferida ao leite bovino. A viabilidade de se realizar a identificação de metabólitos da amoxicilina presentes no leite bovino por meio do mesmo processo de preparo de amostra e de análise utilizado para a quantificação também foi avaliada. Foram identificados dez principais produtos de transformação/degradação da fotocatálise da rosuvstatina, dez principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do sulfametoxazol, quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do ciprofloxacino e quinze principais produtos de transformação/degradação da fotólise em meio aquoso do norfloxacino. A metodologia empregada para a quantificação da amoxicilina em leite bovino se demostrou adequada, mas estudos adicionais são necessários para que seja possível identificar os seus metabólitos nessa matriz. Os resultados dos cálculos ab initio que foram utilizados para o estudo dos produtos de transformação/degradação da rosuvastatina e sulfametoxazol mostram que essa técnica pode ser bastante útil na elucidação estrutural dos compostos que são formados. / Mass spectrometry, coupled or not with other techniques, is very useful for the determination of new compounds, transformation/degradation products, metabolites and quantification at trace levels in many different matrices, due to the versatility of such a technique, specially regarding to analysis modes. In the present work a methodology was systematized for the application of mass spectrometry techniques in order to identify metabolites and transformation/degradation products for human and veterinary drugs usage. Computational chemistry tools were used to assist in the elucidation of the structure of the compounds formed during the process. The methodology was employed for identification and quantification of rosuvastatin transformation/degradation products generated during the heterogeneous photocatalysis process with ZnO, for the identification of sulfamethoxazole, ciprofloxacin and norfloxacion transformation/degradation products generated during the photolysis in aqueous medium and for quantifying amoxicillin transferred to bovine milk. The feasibility of identification of amoxicillin metabolites present in bovine milk using the same sample preparation procedure exploited for the quantification analysis was also assessed. Ten main transformation/degradation products of rosuvastatin photocatalysis were identified, as well as ten main transformation/degradation products of sulfamethoxaxole photolysis in aqueous medium, fifteen main transformation/degradation products of ciprofloxacin photolysis in aqueous medium and fifteen main transformation/degradation products of norfloxacin photolysis in aqueous medium. The methodology applied for the bovine milk amoxicillin quantification was demonstrated to be adequate, but additional studies are needed to identify amoxicillin metabolites in the milk matrix. The results of ab initio calculations utilised for the study of rosuvastatin and sulfamethoxazole transformation/degradation products show that this technique can be very useful for the structural elucidation of chemical compounds which are formed.

Tesis por compendio / [ES] Los métodos de química computacional se han empleado en el estudio de materiales de zeolita aplicados a procesos de separación. Se consideró un enfoque clásico, donde los campos de fuerza se seleccionaron durante los procedimientos de benchmark entre los modelos actualmente disponibles. Los resultados obtenidos han sido validados considerando datos experimentales y se mejoró la descripción de los modelos, cuando fue posible, mediante procedimientos de parametrización. Así, los mejores modelos describieron sistemas con diferentes grados de complejidad, que fueron simulados a través de los métodos de Dinámica Molecular y Monte Carlo. La difusión y la adsorción en los microporos (bulk) y en la superficie externa de las zeolitas se pueden entender a nivel molecular. Se calculó la energía de adsorción y también se descompuso su magnitud en las contribuciones electrostática y de van der Waals. Además, fue posible observar más de cerca las interacciones anfitrión-invitado e invitado-invitado durante las trayectorias simuladas. Considerando la creciente demanda energética a nivel mundial, los biocombustibles se consideran una opción sostenible obtenida a partir de biomasa. Se han simulado con éxito los pasos del proceso experimental desarrollado por Denayer et al. para la recuperación de biobutanol a partir de una mezcla fermentada. Se modelaron los ciclos de adsorción y desorción en dos columnas zeolíticas con selectividad complementaria (tipo LTA y CHA), con sistemas de nanoláminas y considerando las principales características experimentales. Aunque las escalas de tiempo experimentales son inalcanzables para los recursos computacionales disponibles actualmente, los sistemas simulados pudieron capturar los fenómenos experimentales y fueron evaluados más a fondo a través del comportamiento microscópico de los sistemas. Un estudio experimental y computacional señaló la STW sílice pura (Si-STW) como un candidato prometedor para la separación de alcanos lineales, monoramificados y diramificados. Se probaron los isómeros C5 a C7, y el material Si-STW superó la capacidad de adsorción y selectividad de MFI de sílice pura, especialmente hacia los isómeros diramificados con átomos de carbono cuaternarios. Se calcularon las isotermas de adsorción, el calor de adsorción y el comportamiento de difusión de los hidrocarburos probados y se compararon con los resultados experimentales. Por lo tanto, las propiedades de adsorción de Si-STW pueden ser exploradas para su uso sobre el producto obtenido durante el proceso de hidromerización - que genera componentes de mayor octanaje para la mezcla de gasolina -, aumentando su número de octano. La producción de 6-kestosa para uso industrial como prebiótico y azúcar de bajo índice glucémico depende de su separación de las moléculas de sacarosa. La separación de una mezcla acuosa equimolar, que contiene sacarosa y 6-kestosa, mediante membranas zeolíticas se ha investigado a través de simulaciones de Dinámica Molecular. Una selección considerando las 253 estructuras de zeolitas reportadas, señaló los tres candidatos más prometedores (AET, ETR y DON), al evaluar el efecto de exclusión por tamaño (adsorción de sacarosa y exclusión de 6-kestosa), la movilidad de ambos azúcares dentro de las estructuras (evaluados con modelos tipo bulk), y simulando su futura aplicación como sistemas de membranas. Entre los mejores candidatos, la zeolita DON presentó una selectividad significativa para las moléculas de sacarosa, con el mayor flujo y siendo factible como material de sílice pura, igualando la composición química simulada. / [CA] Els mètodes de química computacional s'han emprat en l'estudi de materials de zeolita aplicats a processos de separació. Es va considerar un enfocament clàssic, on els camps de força es van seleccionar durant els procediments de benchmark entre els models actualment disponibles. Els resultats obtinguts han sigut validats considerant dades experimentals i es va millorar la descripció dels models, quan va ser possible, mitjançant procediments de parametrització. Així, els millors models van descriure sistemes amb diferents graus de complexitat, que van ser simulats a través dels mètodes de Dinàmica Molecular i Monte Carlo. La difusió i l'adsorció en els microporus (bulk) i en la superfície externa de les zeolites es poden entendre a nivell molecular. Es va calcular l'energia d'adsorció i també es va descompondre la seua magnitud en les contribucions electroestàtica i de van der Waals. A més, va ser possible observar més de prop les interaccions amfitrió-convidat i convidat-convidat durant les trajectòries simulades. Considerant la creixent demanda energètica a nivell mundial, els biocombustibles es consideren una opció sostenible obtinguda a partir de biomassa. S'han simulat amb èxit els passos del procés experimental desenvolupat per Denayer et al. per a la recuperació de biobutanol a partir d'una mescla fermentada. Es van modelar els cicles d'adsorció i desorció en dues columnes de zeolites amb selectivitat complementària (tipus LTA i CHA), amb sistemes de nanoláminas i considerant les principals característiques experimentals. Encara que les escales de temps experimentals són inassolibles per als recursos computacionals disponibles actualment, els sistemes simulats van poder capturar els fenòmens experimentals i van ser avaluats més a fons a través del comportament microscòpic dels sistemes. Un estudi experimental i computacional va assenyalar la STW sílice pura (Si-STW) com un candidat prometedor per a la separació d'alcans lineals, monoramificats i diramificats. Es van provar els isòmers C5 a C7, i el material Si-STW va superar la capacitat d'adsorció i selectivitat de MFI de sílice pura, especialment cap als isòmers diramificats amb àtoms de carboni quaternaris. Es van calcular les isotermes d'adsorció, la calor d'adsorció i el comportament de difusió dels hidrocarburs provats i es van comparar amb els resultats experimentals. Per tant, les propietats d'adsorció de Si-STW poden ser explorades per al seu ús sobre el producte obtingut durant el procés de hidromerització - que genera components de major octanatge per a la mescla de gasolina -, augmentant el seu número d'octà. La producció de 6-kestosa per a ús industrial com a prebiòtic i sucre de baix índex glucèmic depén de la seua separació de les molècules de sacarosa. La separació d'una mescla aquosa equimolar que conté sacarosa i 6-kestosa mitjançant membranes de zeolites s'ha investigat amb simulacions de Dinàmica Molecular. Una selecció considerant les 253 estructures de zeolites reportades, va assenyalar els tres candidats més prometedors (AET, ETR i DON), en avaluar l'efecte d'exclusió per grandària (adsorció de sacarosa i exclusió de 6-kestosa), la mobilitat de tots dos sucres dins de les estructures (avaluats amb models tipus bulk), i simulant la seua futura aplicació com a sistemes de membranes. Entre els millors candidats, la zeolita DON va presentar una selectivitat significativa per a les molècules de sacarosa, amb el major flux i sent factible com a material de sílice pura, igualant la composició química simulada. / [EN] Computational chemistry methods have been employed in the study of zeolite materials applied to separation processes. A classical approach was considered, where the force fields were selected during benchmark procedures among the models currently available. The obtained results have been validated considering experimental data, and models description was improved, when possible, by parameterization procedures. Thus, the best models described systems with different degrees of complexity, that were simulated through Molecular Dynamics and Monte Carlo methods. Diffusion and adsorption in zeolites' micropores (bulk) and external surface could be understood at a molecular level. The adsorption energy was calculated, and its magnitude also decomposed into the electrostatic and van der Waals contributions. Besides, a closer look into the host-guest and guest-guest interactions could be done during the trajectories simulated. Considering the growing energetic demand worldwide, biofuels are considered a sustainable option obtained from biomass. The steps of the experimental process developed by Denayer et al. for biobutanol recovery from a fermented mixture have been successfully simulated. Both adsorption and desorption cycles in two zeolitic columns with complementary selectivity (LTA and CHA-type) were modeled as nanosheet systems, considering the main experimental features. Although the experimental time scales are unreachable for the current computational resources available, the systems simulated could capture the experimental phenomena, and were further evaluated through the microscopic behavior of the systems. An experimental and computational study pointed pure silica STW (Si-STW) as a promising candidate for the separation of linear, monobranched and dibranched alkanes. C5 to C7 isomers were tested, and Si-STW material outperformed pure silica MFI adsorption capacity and selectivity, specially towards the dibranched isomers with quaternary carbon atoms. Adsorption isotherms, heat of adsorption and the diffusional behavior of the tested hydrocarbons have been calculated, and compared with the experimental results. Thus, Si-STW adsorptive properties can be further explored for its usage over the product obtained during the hydromerisation process - that generates higher-octane components for gasoline mixture -, increasing its octane number. The production of 6-kestose for industrial usage as prebiotic and low-glycemic sugar is dependent on its separation from sucrose molecules. The separation of an equimolar aqueous mixture, containing sucrose and 6-kestose, by zeolitic membranes have been investigated through Molecular Dynamics simulations. A screening considering the 253 zeolites structures reported, pointed out the three most promising candidates (AET, ETR and DON), by evaluating the size exclusion effect (adsorption of sucrose and exclusion of 6-kestose), the mobility of both sugars inside the frameworks (evaluated with bulk models), and simulating their future application as membrane systems. Among the best candidates, DON framework presented a significant selectivity for sucrose molecules, with the largest flux, and being feasible as a pure silica material, matching the chemical composition simulated. / This work was supported by Generalitat Valenciana (GVA) predoctoral fellowship GRISOLIAP/2019/084. We also thank GVA for PROMETEO/2021/077 project and ASIC-UPV and SGAI-CSIC for the use of computational facilities. We acknowledge the Spanish Ministry of Sciences, Innovation and Universities (MCIU), State Research Agency (AEI), and the European Fund for Regional Development (FEDER) for their funding via project RTI2018-101784-B-I00 and Program Severo Ochoa SEV-2016-0683 / Misturini, A. (2022). Mixture Separations with Zeolites: Molecular View on Adsorptive Processes [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/191433 / Compendio

Els brassinoesteroides són fitohormones naturals que presenten un potencial molt prometedor per a ser aplicats a l’agricultura. L’elevat cost d’obtenció d’aquests compostos ha estimulat la recerca d’anàlegs que ofereixin una bona relació entre la seva activitat biològica i el seu cost. En aquest sentit, es creu interessant abordar la cerca de compostos d’estructura no esteroïdal amb activitat brassinosteroide mitjançant mètodes computacionals. Per assolir aquest objectiu s’han plantejat dos enfocaments: per una banda, buscar estructures totalment noves i, per l’altra, buscar estructures que puguin mimetitzar només l’esquelet esteroidal d’anàlegs brassinoesteroides androstànics actius per a, posteriorment, ancorar hi la cadena addient. Amb la primera aproximació s’han realitzat processos de virtual screening sobre bases de dades de screening compounds comercials mitjançant dues estratègies: un model de QSAR, desenvolupat amb descriptors independents de l’alineament amb el programa ALMOND, i l’aplicació de la metodologia FLAP. Després d’un procés de filtració, a partir dels dos mètodes s’han proposat una serie de candidats, l’activitat dels quals ha estat avaluada amb el test d’inclinació de la làmina d’arròs (RLIT). En total, s’han trobat 7 hits, 4 dels quals formen una sèrie en la que comparteixen l’estructura de N (2 hidroxietil)piperazina. Aquests compostos es plantegen com a nous referents per obtenir estructures no esteroidals amb activitat brassinoesteroide. Per altra banda, amb la segona aproximació, s’ha aplicat la metodologia de scaffold hopping amb el programa SHOP per trobar estructures que puguin mimetitzar esquelets androstànics brassinoesteroides. Aquesta metodologia s’ha aplicat sobre dues bases de dades: una de building blocks comercials i una disenyada ad hoc prenent com a referència estructures basades en coneixements previs. Després d’una etapa de selecció mitjançant alineaments flexibles efectuats amb el programa MOE, 11 estructures han estat proposades per a la síntesis d’anàlegs. S’ha intentat la síntesis de 3 compostos a partir d’estructures anàlogues de l’esquelet androstànic escollides preliminarment. Els grups protectors escollits i les condicions de reacció assajades no han rendit els compostos desitjats però han proporcionat informació per afrontar la síntesi de futurs anàlegs brassinoesteroides amb estructures no esteroïdals. / Los brasinoesteroides son fitohormonas naturales que presentan un potencial muy prometedor para ser aplicados en la agricultura. El elevado coste de obtención de estos compuestos ha estimulado la búsqueda de análogos que ofrezcan una buena relación entre su actividad y su coste. En este sentido, se cree interesante abordar la búsqueda de compuestos de estructura no esteroidal con actividad brasinoesteroide mediante técnicas computacionales. Para lograr este objetivo se han planteado dos enfoques: por un lado, buscar estructuras totalmente nuevas y, por el otro, buscar estructuras que puedan mimetizar solo el esqueleto esteroidal de análogos brasinoesteroides androstánicos activos para, posteriormente, anclar la cadena adecuada. Con la primera aproximación se han realizado procesos de virtual screening sobre bases de datos de screening compounds comerciales mediante dos estrategias: un modelo de QSAR, desarrollado con descriptores independientes del alineamiento con el programa ALMOND, y la aplicación de la metodología FLAP. Después de un proceso de filtrado, a partir de los dos métodos se han propuesto una serie de candidatos, la actividad de los cuales ha sido evaluada con el test de inclinación de la lámina de arroz (RLIT). En total, se han encontrado 7 hits, 4 de los cuales forman una serie que comparte la estructura de N (2 hidroxietil)piperazina. Estos compuestos se plantean como nuevos referentes para obtener estructuras no esteroidales con actividad brasinoesteroide. Por otro lado, con la segunda aproximación, se ha aplicado la metodología de scaffold hopping con el programa SHOP para encontrar estructuras que puedan mimetizar esqueletos androstánicos brasinoesteroides. Esta metodología se ha aplicado sobre dos bases de datos: una de building blocks comerciales y otra diseñada ad hoc tomando como referencia estructuras basadas en conocimientos previos. Después de una etapa de selección mediante alineamientos flexibles realizada con el programa MOE, 11 estructuras han sido propuestas para la síntesis de análogos. Se ha intentado la síntesis de 3 nuevos compuestos a partir de estructuras análogas del esqueleto androstánico escogidas preliminarmente. Los grupos protectores escogidos i las condiciones de reacción ensayadas no han rendido los compuestos deseados pero han proporcionado información para afrontar la síntesis de futuros análogos brasinoesteroides con estructuras no esteroidales. / Brassinosteroids are natural phytohormones that present a promising potential in agricultural applications. The high cost to obtain these compounds has promoted the research of analogues that offer a good relationship between their biological activity and their cost. Keeping this idea in mind, the search of compounds with non-steroidal structure with brassinosteroid activity using computational methods was considered an interesting goal. To achieve this objective two approaches has been proposed: on one side, to search completely new structures and, on the other, to search structures mimetic to the steroidal skeleton of active androstane brassinosteroid analogues, where the adequate side chain has to be anchored. With the first approach, virtual screening processes over commercial screening compound databases have been performed using two strategies: a QSAR model developed with alignment-free descriptors with the program ALMOND, and the application of FLAP methodology. After a filtering process, some structures have been proposed as candidates, whose biological activity in the Rice Lamina Inclination Test (RLIT) has been measured. Totally, 7 hits have been found, from which 4 form a series sharing the N (2 hidroxiethyl)piperazine. These compounds are proposed as new referents to find non steroidal structures with brassinosteroid activity. With the second approach, the scaffold hopping methodology has been applied with SHOP program to find structures mimetic to androstane brassinosteroid skeletons. This methodology has been applied over two databases: a commercial building blocks one and an ad hoc designed one, taking as reference structures based on previous knowledge. After a filtering step with flexible alignments performed with the program MOE, 11 structures have been proposed for the synthesis of new compounds. The synthesis of 3 new compounds has been tried starting from preliminary selected structures analogous to the androstane skeleton. The chosen protecting groups and the tested reaction conditions have not yielded the desired compounds but have given information to face the future synthesis of brassinosteroid analogues with non-steroidal structures.

L’any 2002 tres grups de recerca, entre ells el nostre grup, van demostrar teòricament que la interacció entre anions i anells aromàtics electrodeficients, anomenada interacció anió–, era favorable. Des de llavors s’ha dut a terme un intens estudi de la seva naturalesa física fins la total comprensió. Aquesta tesi es basa amb l’estudi de la interacció anió– des de tres punts de vista. Primerament, la investigació es basa en el disseny teòric de motius estructurals per donar lloc a un receptor on la interacció anió– siga molt favorable, per posteriorment avaluar la força de la interacció experimentalment en dissolució. A continuació, es va analitzar la interrelació entre un gran nombre de combinacions d’interaccions no covalents. A partir d’aquest estudi es defineixen nous conceptes i es proposen diferents formules per calcular efectes de cooperativitat. Finalment, hem anat un pas més enllà en l’estudi de la interacció analitzant: 1) l’impacte de la interacció anió– a sistemes biològics; 2) la influència de modificacions a l’anió sobre la naturalesa física de la interacció. / In 2002 three research groups, among them our research group, theoretically demonstrated that the interaction between anions and electron-deficient aromatic rings, named anion– interaction, was favourable. Since then, an intense study of its physical nature has been performed to understand it completely. This thesis is based on the study of the anion– interaction from three points of view. Firstly, theoretical design of binding units to build a receptor and to obtain the most favourable binding based on anion– interactions. The binding properties of these receptors have been experimentally assessed in solution. Secondly, we have studied the interplay between a great combination of noncovalent interactions. From this study, new concepts and formula to calculate cooperativity effects have been described. Finally, we have study one step further the anion– interaction analysing: 1) the impact of anion– interaction in biological systems; 2) how the modifications in the anion influence the physical nature of the interaction.

Íons polihalogenados de Si, X3Si+ (X = F, Cl), são fragmentos facilmente gerados em espectrometria de massas por ionização eletrônica de compostos de silício polihalogenados. Estes cátions possuem um elevado caráter eletrofílico e desempenham um papel importante como intermediários em processos de corrosão auxiliados por plasma utilizados na fabricação de dispositivos em microeletrônica. Esta dissertação apresenta um estudo sobre a reatividade dos íons +SiCl3, em fase gasosa, perante uma série de substratos neutros simples como água, alcoóis, amônia, aminas e algumas bases doadoras de elétrons π. As reações íon-molécula em fase gasosa foram caracterizadas do ponto de vista experimental por espectrometria de massas de ressonância ciclotrônica de íons por transformada de Fourier (FTICR) a pressões da ordem de 10-8 Torr. As reações foram acompanhadas em função do tempo de reação na cela do espectrômetro, o que permitiu a elucidação de uma série de reações sequenciais. O perfil de energia das reações e as estruturas dos íons silicênios formados nestas reações foram também caracterizados por métodos de química computacional, usando métodos ab initio e métodos baseados na teoria do funcional da densidade, a fim de elucidar o mecanismo das reações. Observou-se que o cátion +SiCl3 reage rapidamente em fase gasosa com os diversos substratos neutros através de processos semelhantes a reações de solvólise que resultam na adição do neutro seguida de eliminação de HCl. Em vários dos casos, foi possível observar a solvólise total do cátion com substituição dos três átomos de cloro. Os cálculos revelam que estas reações se processam inicialmente pela adição do eletrófilo aos centros ricos em densidade eletrônica dos substratos neutros e que estes adutos são mais estáveis que os reagentes isolados. O estado de transição destas reações envolve uma migração 1,3 de um hidrogênio e a energia calculada para o estado de transição é consideravelmente menor que a energia dos reagentes, fato este comum para reações rápidas íon/molécula em fase gasosa. Os cálculos para a espécie correspondente +CCl3 revelam que este tipo de reação não é favorável para os cátions metílicos substituídos e experimentalmente reações semelhantes não são observadas para +CCl3. No caso dos íons ClnSi(OH)3-n+ (n=1, 2 e 3), oriundos das reações de hidrólise do íon +SiCl3, observou-se reações secundárias de condensação com SiCl4 que levam a formação de espécies iônicas com ligações tipo siloxanas (-Si-O-Si-). Os cálculos teóricos sugerem que estas reações se processam inicialmente através de um intermediário tipo clorônio, R1-Cl+-R2 seguida de uma transferência formal de um átomo de Cl e rearranjo para uma estrutura tipo siloxana. / Polyhalogenated silicenium ions, X3Si+ (X = F, Cl), are common fragment ions in the mass spectra of polyhalogenated silanes obtained by electron ionization. These ions are powerful electrophiles and are believed to play a role in plasma enhanced corrosion processes and plasma enhanced chemical vapour deposition processes. In this dissertation, we present some new results on the gas-phase reactivity of the +SiCl3 ion with a number of simple n electron donor bases such as water, alcohols, ammonia, amines and some π electron donor bases. Ion-molecule reactions were characterized experimentally by Fourier transform ion cyclotron resonance mass spectrometry (FTICR) at pressures in the 10-8 Torr range. Reactions were followed as a function of trapping time of the ions in the cell of the spectrometer and this allowed for the identification of subsequent reactions of the primary product ions. The energy diagram and structure of the different silicenium ions were also characterized by computational chemistry using both ab initio and density functional theory methods in order to understand the mechanism of these reactions. +SiCl3 reacts rapidly in gas phase with various neutral substrates through processes similar to solvolysis in which the neutral substrate adds onto the silicenium ion followed by elimination of HCl. In some cases, complete solvolysis is observed with substitution of all three chlorine atoms. The calculations show that reactions proceed by initial addition of the electrophile onto the electron center of the neutral substrates giving rise to stable adducts. The transition state for these reactions involve a 1,3 hydrogen migration and the calculated energy for these transition states is less than the energy of the isolated reactants, a fact that is common to fast gas-phase ion-molecule reactions. Similar calculations for +CCl3 reveal similar solvolysis reactions to be energetically unfavourable, and in fact these reactions are not observed experimentally. Secondary reactions have been observed for the product ions ClnSi(OH)3-n+ (n = 1, 2 and 3), obtained from successive hydrolysis of +SiCl3, with the parent SiCl4 neutral. These secondary condensation reactions yield ionic species containing a siloxane type linkage (-Si-O-Si-). The theoretical calculations suggest that is that these secondary condensation reactions initially proceed via chloronium ion intermediate, R1-Cl+-R2 , followed by formal Cl transfer and rearrangement to a siloxane type structure.