Made available in DSpace on 2016-06-02T20:36:25Z (GMT). No. of bitstreams: 1 3020.pdf: 2038033 bytes, checksum: e6dda648bd6d8d4cf436f238f867fae3 (MD5) Previous issue date: 2010-02-26 / Financiadora de Estudos e Projetos / The biological role and pharmacological utility of histamine and 4-aminopyridine in the physiological medium has led us to the development of luminescent and photolabile metal-histamine and metal-4-aminopyridine donor that release histamine when exposed to visible light aim both research tools and therapeutic agents. In this work, we report on the synthesis, photochemical and photophysical studies and bovine serum albumin (BSA) binding properties of cis-[Ru(phen)2(L)2]2+, L = histamine (Ru-him) and 4-apy (Ru-4apy). The 1H-NMR experiments and DFT calculations confirm the presence of two linkage isomers (binding through N1 or N3 of histamine) of Ru-him. In CD3CN the Ru- N1(histamine), R isomer, being favored whereas in protic solvents the Ru-N3(histamine), A isomer, is the major isomer. The presence of two isomeric populations is a possible explanation for the biexponential fluorescence decay of Ru-Him (1 = 184.7 ns and 2 = 43.76 ns). The cis-[Ru(phen)2(L)2]2+ are water soluble and highly colored with strong absorptions (~ 490 nm, 13000 mol-1 L cm-1) and a broad emission at 640 nm. They are thermally stable over the course of many hours in non-aqueous and aqueous solution but they are photochemically reactive. Photolysis in the visible absorption band of cis- [Ru(phen)2(L)2]2+ in the CH3CN and CH3OH solution causes an efficient photoreaction, converting them into cis-[Ru(phen)2(CH3CN)2]2+. L photorelease is also observed in pure water and in an aqueous buffer solution (Tris/HCl, pH 7.4) in the presence of BSA (1.0 x 10-6 mol L-1). The cis-[Ru(phen)2(L)2]2+ complex quenches the fluorescence of BSA by a combination of static and dynamic quenching, but no changes in the emission spectrum of BSA were observed when free histamine (2.5 x 10-6 to 5 x 10-5 mol L-1) or free 4- aminopyridine (2.5 x 10-6 to 9 x 10-5 mol L-1) were used as a quencher. This suggests that the [Ru(phen)2]2+ moiety presents structural features which are essential to L - BSA xii interaction. It is of relevance to note that the presence of BSA does not preclude the photorelease of L in complex cis-[Ru(phen)2(L)2]2+. Overall, these results are of particular interest to the design of intelligent metallodrugs based on photochemical and photophysical processes. / As funções biológicas e a utilidade farmacológica desempenhadas pelos ligantes L = 4- aminopiridina e histamina no meio fisiológico nos levou ao desenvolvimento de compostos luminescentes e fotolabeis do tipo metal-L capazes de liberarem L quando irradiados com luz visível. Nosso interesse neste tipo de compostos estão direcionados tanto para pesquisa fundamental como para a aplicação destes compostos como agentes terapêuticos. Neste trabalho, nós descrevemos a síntese, estudos fotoquímicos e fotofísicos e as propriedades de interação com a proteína do soro albumina bovina (BSA) com complexos do tipo cis-[Ru(phen)2(L)2]2+, phen = 1,10-fenantrolina e L = histamina (Ruhim) e 4-apy (Ru-4apy). Os experimentos de RMN de 1H e os cálculos de DFT confirmam a presença de dois isômeros de ligação (coordenados ao centro metálico pelos nitrogênios da histamina N1 ou N3) para o complexo Ru-him. Em CD3CN o isômero remoto (R), Ru- N1(histamina), esta presente em maior proporção. Entretanto, em solventes próticos como CD3OD o isômero adjacente (A), Ru-N3(histamina), é o mais abundante. A cinética de decaimento de fluorescência para o complexo Ru-him apresenta um decaimento biexponencial (1 = 184.7 ns e 2 = 43.76 ns) concordante com a observação de dois isômeros. Os complexos cis-[Ru(phen)2(L)2]2+ são solúveis em água, apresentam absorção intensa no visível (~ 490 nm, 13000 mol-1 L cm-1) e emissão larga a 640 nm. Estes compostos são estáveis termicamente em solução aquosa e em solventes orgânicos quando estocados por tempo indeterminado no escuro, mas apresentam reatividade fotoquímica quando irradiados com luz visível (420 nm). A fotólise com luz de 420 nm dos complexos cis-[Ru(phen)2(L)2]2+ em CH3CN e CH3OH resultaram na liberação do ligante L e na formação do complexo cis-[Ru(phen)2(CH3CN)2]2+. A liberação fotoquímica do ligante L é observada também em água pura e em solução tampão (Tris/HCl, pH 7,4) na ausência x e presença de BSA (1,0 x 10-6 mol L-1). Os complexos cis-[Ru(phen)2(L)2]2+ suprimem a fluorescência do BSA pela combinação dos processos de supressão estático e dinâmico, mas nenhuma alteração no espectro de emissão do BSA foi observado quando histamina livre (2,5 x 10-6 to 5,0 x 10-5 mol L-1) ou 4-aminopiridina (2,5 x 10-6 to 9,0 x 10-5 mol L-1) livre foram usadas como supressores. Isto sugere que o fragmento {Ru(phen)2 2+} apresenta características estruturais que são essenciais para a interação L - BSA. Cabe salientar que a presença do BSA não impede a liberação fotoquímica do ligante L no complexo cis-[Ru(phen)2(L)2]2+. Os resultados obtidos nesta dissertação são particularmente interessantes para o desenvolvimento de metalodrogas fundamentadas em processos fotoquímicos e fotofísicos.

O objetivo principal deste estudo foi determinar a origem da inibição do processo foto-Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2, luz UV] pelo íon cloreto. Um estudo das reações primárias da etapa fotocatalítica do processo foto-Fenton por fotólise por pulso de laser na presença de NaCl mostrou que a inibição reflete: i) fotólise competitiva dos complexos Fe(Cl)2+ e Fe(Cl)2+; ii) captura do radical hidroxila (dependente do pH) pelo íon cloreto. Esses dois processos formam o ânion radical menos reativo Cl2•- em lugar do radical HO•-, provocando uma progressiva inibição da reação de degradação com a diminuição do pH. Modelagem cinética destes resultados previa que a manutenção do pH em 3,0 durante a fotodegradação evitaria a formação do Cl2•-, o que foi confirmada através de experimentos de fotodegradação do fenol e da gasolina em meio aquoso na presença de NaCl. Por outro lado, na degradação do fenol pela reação térmica de Fenton [Fe(II)/Fe(III), H2O2], o radical hidroxila não parece ter um papel muito importante. A degradação térmica não foi inibida pela presença de íon cloreto e a cinética de mineralização do fenol pela reação térmica de Fenton é indistinguível da degradação do fenol pelo processo foto-Fenton inibido por NaCl. Isso sugere que a reação proposta por Hamilton, isto é, a redução de Fe(III) a Fe(II) por catecol (o principal intermediário inicial da oxidação do fenol) na presença de H2O2, é o mecanismo principal de catálise da reação térmica de Fenton no nosso sistema. / The principal objective of the present study was to determine the origin of the inhibition of the photo-Fenton process [Fe(II)/Fe(III), H2O2, UV light] by chloride ion. A laser flash photolysis study of the primary reactions involved in the photocatalytic step of the photo-Fenton process in the presence of NaCl demonstrated that the inhibition reflects: i) competitive photolysis of the complexes Fe(Cl)2+ and Fe(Cl)2+; ii) pH-dependent sequestration of the hydroxyl radical by chloride ion. Both processes form the less reactive radical anion Cl2•- instead of HO•, resulting in a progressive inhibition of the degradation with decreasing reaction pH. Kinetic modeling of these results predicted that maintaining the pH at 3.0 throughout the reaction should prevent the formation of Cl2•-, a prediction confirmed experimentally for the photodegradation of phenol and gasoline. In contrast, in the degradation of phenol via the thermal Fenton reaction [Fe(II)/Fe(III), H2O2], the hydroxyl radical does not appear to play a very important role. Thus, the thermal degradation is not inhibited by chloride ion and the kinetics of mineralization of phenol by the thermal Fenton reaction are indistinguishable from those for degradation of phenol in the photo-Fenton reaction inhibited by NaCl. This suggests that the reaction proposed by Hamilton, i.e., reduction of Fe(III) to Fe(II) by catechol (the major initial intermediate in the oxidation of phenol) in the presence of H2O2, is the principal catalytic mechanism operative in the thermal Fenton reaction in our system.

A fotodegradação de pesticidas, como os derivados de carbamatos orgânicos, possui um papel importante do ponto de vista ambiental, pois estes são extensivamente utilizados e comumente encontrados como contaminantes da água e do solo. O Rearranjo Foto-Fries (PFR) - a conversão fotoquímica de aril ésteres para orto- e para-hidroxifenonas - desempenha um importante papel na fotodegradação de drogas e pesticidas carbamatos, além de ser um passo chave para a síntese de um grande número de compostos e polímeros funcionais. Embora exista um grande número de estudos experimentais a respeito desse rearranjo, alguns pontos dessa reação ainda estão sob debate. O objetivo deste trabalho é estudar o processo de fotodissociação em carbamatos aromáticos e derivados e, particularmente, fornecer uma visão geral do mecanismo do Rearranjo Foto-Fries, utilizando metodologias computacionais. Entre essas metodologias estão TDDFT, cálculos multiconfiguracionais e Surface Hopping. A superfície de energia potencial para o PFR foi estudada no vácuo gasosa e utilizando solvatação implícita e explícita. Nessa última, a distribuição do solvente foi obtida por simulações de Monte Carlo. Um modelo envolvendo três estados é proposto para o PFR, baseado em cálculos CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12). Este modelo fornece uma visão global de todos os passos envolvidos na reação, da fotodissociação até a tautomerização final. O papel do solvente ainda não foi esclarecido, pois a sua adição (implícita ou explícita) não alterou significativamente o comportamento do caminho dissociativo. / The photodegradation of pesticides, such as carbamate derivatives, has an environmentally important role, since they are extensively used and commonly found as contaminants in water and soils. The Photo-Fries rearrangement (PFR) - a photochemical conversion of aryl esters to ortho- and para-hydroxyphenones - plays an important role in the photodegradation of drugs and carbamate pesticides, besides being a key step in the synthesis of a large number of compounds and functional polymers. Although there is a large number of experimental studies about the mechanism of PFR, some points of this reaction are still under debate. The goal of this work is to study the photodissociation process in aromatic carbamates and derivatives and, particularly, is to provide a comprehensive picture of PFR, based on computational methods. Several methodologies were used, such as TDDFT, multiconfigurational methods and Trajectory Surface Hopping simulations. Comprehensive explorations of the potential energy surfaces were done in the gas phase and with implicit and explicit solvent, whose distribution was obtained from sequential Monte Carlo sampling. A three-state model for the Photo-Fries Rearrangement is proposed based on CASSCF(14,12)/CASPT2(14,12) calculations. It provides a comprehensive mechanistic picture of all steps of the reaction, from the photoabsorption to the final tautomerization. The role of the solvent is still not understood since the addition of solvent (implicit or explicit) do not change the dissociative pathway significantly.

O dímero de pirimidina ciclobutano é uma lesão no DNA fotoinduzida por radiação ultravioleta que pode evoluir para um tipo de câncer de pele. Uma das formas de reparar essa lesão usada por alguns organismos é através do processo enzimático de fotoreativação, induzido por radiação UV na região do visível. Crucial neste processo é a transferência de um elétron primária do cofator enzimático FADH POT.- para o dímero após a qual ocorre separação do dímero em monômeros. Vários compostos indólicos forma estudados no passado com o objetivo de mimetizar o sistema enzimático, entre eles o complexo não-enzimático covalentemente ligado indol-dímero. No entanto, não foi possível até o presente obter um sistema substitutivo que opere tão eficientemente quanto o enzimático. Nesta tese, fizemos um estudo teórico e fenomenológico da eficiência de reparo dos dímeros de pirimidina quando efetuado tanto pelo complexo enzimático como pelo complexo covalentemente ligado (indol-dímero). Tentativamente, buscamos determinar os elementos físicos e químicos que são influentes para a eficiência do processo de reparo, concentrando os esforços na compreensão do papel de processos competitivos à reação intrínseca de separação dos dímeros o que inclui a possibilidade de transferência de elétrons de volta para o doador original. Para isso, formulamos uma expressão para a eficiência de reparo em termos das quantidades que regulam as taxas das etapas intermediárias, incluindo tanto o processo direto de transferência de elétrons, como o de volta. O elemento de transição eletrônica que toma parte nesta expressão é calculado explicitamente na aproximação do modelo \"ligação firme\", usando o método da Expansão Perturbativa Renormalizada, para levar em conta a natureza de longo-alcance do processo de transferência de elétrons neste caso. Estimamos também os parâmetros nucleares que incorporam as expressões para as taxas de transferência de elétrons, como prescrito pela teoria de Marcus. Análise subsequente do processo de reparo usando esta fórmula permitiu-nos interpretar a natureza do compromisso entre as duas reações de transferência de elétrons e do controle exercido por estas sobre a eficiência do reparo. Pudemos então propor uma forma para estudar este compromisso em termos de grandezas mensuráveis, quais sejam, a polaridade do solvente e o seu grau de especularidade do cromóforo. Isto permitiu sugerir maneiras práticas de combinar estes efeitos para obter compostos artificiais com eficiências mais altas. / The ultraviolet photo induced cyclobutane pyrimidine dimer is a lesion to DNA that can evolve to a type of skin cancer. One of the mechanisms to repair the lesion is through the enrymatic photoreactivation process induced by solar radiation in the visible region. A crucial step in this process is a primary electron transfer reaction from the photolyase enzyme cofactor FADH to the dimer, after which dimer cleavage occurs. Several indolic compounds, as for instance the simple covalently linked indole-dimer, have been designed in the past years in order to mimic the actions of enzymatic complex. Nevertheless, up to the present it was not possible to find a substitute that operates as efficiently as the enzyme. In the present thesis, we perform a theoretical and phenomenological study of the efficiency of dimer repair by both enzymatic and indolic complexes. We attempt to find physical and chemical elements that are influential to the efficiency of the repair process focusing on the role of competitive reactions to the cleavage, including explicitly the possibility of quenching by back-electron transfer. For this, we formulate an expression for the efficiency of repair in terms of the quantities that regulate the rates for intermediate reactions, including primary and back electron transfers. The electronic transition element entering this expression is calculated in the tight-binding approximation using the Renormalized Perturbation Expansion method to account for the long-range nature of the electron transfer process in this case. We also estimate the nuclear parameters that enter the rate expression as prescribed by Marcus theory. A subsequent phenomenological analysis of the repair process using this formula and applied to both enzymatic and indolic systems, allowed us to understand the nature of the compromise established between the primary and back electron to control the efficiency of repair. We could then propose a way to study this compromise in terms of measurable quantities, namely the solvent polarity and another that depends on the degree of spectral specularity of the chromophore. This allowed us to suggest practical ways to combine these effects in order to increase the efficiency of designed artificial compounds.

Nos últimos anos, os processos oxidativos avançados (POAs) têm emergido como métodos potencialmente poderosos para transformar poluentes orgânicos recalcitrantes em substâncias menos tóxicas. O presente trabalho visa estudar a degradação de clorofenóis 2,4-diclorofenol (2,4-DCF) e pentaclorofenol (PCF) em solução aquosa por meio do processo foto-Fenton. Os experimentos foram realizados em um reator fotoquímico, em regime batelada, com recirculação e admissão contínua de peróxido de hidrogênio. Os efeitos das concentrações iniciais de clorofenóis, H2O2 e Fe(II), bem como, da potência da lâmpada de vapor de mercúrio, foram estudados a partir de um planejamento experimental Doehlert em multiplos níveis e analisados segundo a metodologia de superfícies de respostas. A foto-oxidação foi monitorada por medidas da concentração de carbono orgânico total (TOC) e do espectro de absorção da solução ao longo do tempo e, em alguns casos, medidas de toxicidade por meio de bioensaios com Artemia sp. Os resultados dos experimentos realizados com 2,4-DCF evidenciaram degradação gradativa, com remoções de TOC superiores a 99%, após 1 hora de tratamento, além de remoção de toxicidade, mesmo para altas concentrações iniciais do poluente (até ca. 415 mgC L-1). Nos experimentos realizados com PCF observouse decaimento inicial de TOC bastante rápido (15 minutos), o que sugere que a degradação dos clorofenóis torna-se mais rápida com o aumento do número de átomos de cloro ligados ao anel aromático. Foi removida mais da metade do TOC inicial por volta de 30 minutos de reação, obtendo-se remoções de até 90,8% ao final do tratamento. Por outro lado, comparado ao 2,4-DCF, no caso do PCF observou-se redução acentuada da taxa de remoção de TOC após esse tempo, o que pode ser explicado a partir da maior concentração de íons cloreto em solução, da formação de complexo estável desses íons com Fe(III) e de espécies geradas a partir de reações envolvendo esse complexo. No conjunto, os resultados comprovam a viabilidade do processo foto-Fenton para remediação de efluentes aquosos contendo clorofenóis. / In recent years, advanced oxidation processes (AOP) have emerged as potentially powerful methods to transforming organic pollutants into harmless substances. The present work aims to study the degradation of chlorophenols (2,4-dichlorophenol and pentachlorophenol) in aqueous solution by the photo-Fenton process. The experiments were conducted in a batch recycle photochemical reactor with continuous feed of hydrogen peroxide solution. The effects of the initial concentrations of chlorophenols, H2O2, and Fe(II), as well as of the electric power of mercury vapor lamp, were studied by means of a Doehlert multivariate experimental design at multiple levels. Experimental results were analyzed according to the response surface methodology. In order to characterize the degradation of the pollutant, time-measurements of the total organic carbon concentration (TOC) as well as the absorbance spectra of the solution, were carried out. In some cases toxicity bioassays were carried out with Artemia sp. The results obtained from experiments with 2,4-dichlorophenol showed a gradual degradation, with more than 99% of TOC removals after 1 hour of treatment, along with toxicity removal, even for high initial pollutant concentrations (ca. 415 mgC L-1). In the case of pentachlorophenol, a fast initial TOC decrease (around 15 minutes) was observed, suggesting that chlorophenols degradation becomes faster with the increment of chloro atoms number bounded to the aromatic ring. More than a half of the initial TOC was removed around 30 minutes of reaction, rising 90.8% of TOC removal at the end of the treatment. In the other hand, comparing to 2,4-DCF, for PCF a marked reduction of the maximum rate of TOC removal after that time. This can be explained by higher concentrations of chloride ions in the solution, for the formation of stable complexes with Fe(III) ion and resulting species in reaction involving such complexes. As a whole, the results confirm the effectiveness of the photo-Fenton process for the remediation of aqueous solutions containing chlorophenols.

As mudanças climáticas globais, sem dúvida, vêm impactanto muitas culturas de plantas agrícolas e pastagens, afetando potencialmente o crescimento e a produtividade das plantas. Os efeitos significativos podem ser causados pelo aumento das concentrações de CO2 e temperatura no quadro da mudança global. As plantas C3 em termos de fotossíntese e produção de biomassa geralmente respondem positivamente em elevado CO2 atmosférico do que as plantas C4. No entanto, os efeitos do elevado CO2 e do aquecimento podem ser mais complexos do que previsto anteriormente, devido às interações desses fatores. O objetivo deste estudo foi avaliar os efeitos do elevado CO2 (600 ppm) e aquecimento (2 °C de aumento sobre a temperatura ambiente) sobre a fisiologia e bioquímica da forrageira tropical C4 Panicum maximum Jacq. cultivada em um Trop-T-Face (Tropical-Temperature free-air controlled enhancement and free-air carbon dioxide enrichment) sem limitação de água e nutrientes. Foi estimado que o elevado CO2 quando combinado com o aquecimento (eC+eT) aumentou a massa seca do colmo (93%), a biomassa seca total (52%), a área foliar específica (AFE) (12%) e reduziu a razão folha/colmo (30%). Aos 30 dias de experimento, os açúcares solúveis totais das folhas aumentaram com o elevado CO2 (eC) e aquecimento (eT) e depois de 80 dias os açúcares redutores e amido reduziram em eC+eT. Em relação aos carboidratos estruturais, o teor de celulose nas folhas não sofreu variação significativa entre os tratamentos, no entanto, o teor de lignina aumentou em 100% sob eC. Além do incremento em biomassa as plantas foram capazes de evitar fotoinibição do aparato fotossintético e peroxidação lipídica. No tratamento eT os níveis de clorofila aumentaram em 12% e os níveis de -tocoferol reduziram em média de 55%. Os níveis de zeaxantina e luteína, o ciclo de xantofila (VAZ) e o estado de-epoxidação (DPS) do ciclo da xantofila foram alterados pelo elevado CO2 e aquecimento somente depois de 60 dias. Conclui-se que o elevado CO2 e o aquecimento apesar de promoverem uma redução no mecanismo de fotoproteção, a eficiência fotoquímica do fotossistema (PSII) não é danificada se as plantas são cultivadas em condições de disponibilidade hídrica e sem limitação nutricional. No entanto, apesar do aumento em biomassa com elevado CO2 combinado com aquecimento, o elevado CO2 parece resultar em diminuição da qualidade da forragem. / Global climate change undoubtedly impact many agricultural plant crops and grasslands, potentially affecting plant growth and yield. Significant effects may be caused by increased temperature and CO2 concentrations in the frame of global change. It is generally thought that C3 plants may respond positively to atmospheric CO2 enrichment than C4 plants in terms of photosynthesis and biomass accumulation. However, the effects of elevated CO2 and warming may be more complex than previously anticipated due to interactions between these factors. The aim of this study was to evaluate the effects of elevated CO2 (600 ppm) and warming (2 °C increase above ambient temperature) over physiology and biochemistry of the tropical C4 forage Panicum maximum Jacq. grown in a Trop-T-FACE (Tropical-Temperature free-air controlled enhancement and free-air carbon dioxide enrichment) facility under well-watered conditions without nutrient limitation. The combination of elevated CO2 and warming (eC+eT) increased stem dry weight (93%), total dry biomass (52%), specific leaf area (SLA) and decreased the ratio leaves/stem (30%). After 30 days of experiment, total soluble sugar of leaves increased under elevated CO2 (eC) and warming (eT) and carbohydrate sugars and starch decreased in elevated CO2 combined with warming, after 80 days. Regarding structural carbohydrates, cellulose content in leaves had no significant variation between treatments, however, lignin content increased 100% under eC. Furthermore, beyond increase in biomass, plants were able to avoid photoinhibition of the photosynthetic apparatus and lipid peroxidation in response to elevated CO2 and warming. In treatment eT chlorophyll levels increased by 12% and -tocopherol levels decreased by 55%. The de-epoxidation state (DPS) of the xanthophyll cycle, an indicator of excess energy dissipation as heat, xanthophyll cycle pool (VAZ) and both zeaxanthin and lutein levels were changed by elevated CO2 and warming only after 60 days. We conclude that the elevated CO2 and warming while promoting a reduction in photoprotection mechanism, the photochemical efficiency of photosystem (PSII) is not damaged if plants are grown under well-watered and adequate nutritional conditions. However, despite growth increase with elevated CO2 combined warming, elevated CO2 appears to result in decreased quality of forage.

O cromo hexavalente – Cr(VI) – presente nos efluentes das indústrias galvânicas, entre outras, é tóxico para maioria dos micro-organismos e potencialmente danoso para a saúde humana. No presente trabalho se estuda a redução de Cr(VI) pelos processos fotoquímicos com álcoois e fotocatálise heterogênea, primeiramente em um reator batelada, com objetivo de obter o melhor processo para aplicação industrial. Na sequência, foram realizados experimentos com efluente industrial, contendo Cr(VI), proveniente de uma indústria galvânica. Após, foram projetados e construídos dois reatores contínuos, o reator em forma de espiral e o reator tubular (radiação artificial e luz solar), com intuito de viabilizar a aplicação industrial do melhor processo de redução de Cr(VI). As reações de redução fotocatalítica de Cr(VI), sob radiação UV, alcançaram reduções totais de Cr(VI) de 66,5% e 56,7% para os catalisadores TiO2 e ZnO, respectivamente, indicando que o catalisador TiO2 foi mais eficiente que o catalisador ZnO. As reações de redução fotoquímica de Cr(VI) com etanol apresentaram altos valores de redução total de Cr(VI), sendo que as reações sob radiação UV (96,1%) foram mais eficientes que as reações sob radiação visível (48,1%). Na redução fotocatalítica de Cr(VI) com TiO2, na presença de etanol, sob radiação UV, foi observada uma redução de Cr(VI) de 92,9% maior do que a redução obtida nas reações fotocatalíticas com TiO2 sob radiação UV (66,5%), evidenciando o efeito sinérgico entre a oxidação do etanol e a redução do Cr(VI). Quando usados com efluente industrial, estes processos mostraram-se eficientes e obtiveram altos valores de redução total de Cr(VI), possibilitando o uso destes tratamentos para remoção de Cr(VI) presente em efluentes de indústrias galvânicas. Entretanto, dentre estes processos estudados, o mais indicado para aplicação industrial foi a fotoquímica com etanol sob radiação UV, pois dispensa o uso de processos de separação do catalisador e apresenta menores custos com reagentes, sendo o etanol de baixo custo, não tóxico e de fácil aquisição. O reator contínuo espiral, projetado e construído, mostrou-se mais eficiente do que o reator batelada, apresentando uma eficiência fotônica de 2,5% comparada a 1,4% para o reator batelada. Ainda, este reator mostrou-se eficiente quando usado com efluente industrial, apresentando uma redução total de Cr(VI) de 51,8%, em 6 horas de reação, sendo sua configuração considerada suscetível para um scale-up. Assim, um reator tubular (radiação artificial e luz solar) foi projetado e construído em escala semi-piloto. Este reator apresentou uma remediação de Cr(VI), presente no efluente industrial, de 86,7% em 6 horas de reação sob luz solar e mostrou uma eficiência fotônica maior do que o reator contínuo espiral. Ainda, o reator tubular apresentou eficiência fotônica similar quando usado com lâmpadas (5,6%) ou luz solar (5,5%), porém as reações sob luz solar mostraram uma maior redução total de Cr(VI) quando comparadas com as reações sob radiação artificial. Assim, o reator tubular, projetado e construído, mostrou-se eficiente quando aplicado para o tratamento de efluente industrial contendo Cr(VI), pelo processo de redução fotoquímica. Além disso, o uso do reator tubular solar minimiza a quantidade de energia elétrica necessária para a reação, reduzindo não somente os custos do processo, como também se tornando uma tecnologia ambientalmente sustentável. / Hexavalent chromium – Cr(VI) – present in wastewater discharge of galvanic industries is toxic to most microorganisms and potentially harmful to human health. In this work were studied Cr(VI) reduction by heterogeneous photocatalysis and photochemistry with alcohols processes, firstly in a batch reactor, in order to obtain the best process for industrial application. Subsequently, experiments were conducted using real wastewater from an electroplating plant. In order to feasible the industrial application of best Cr(VI) reduction process were designed and built two continuous reactors, the spiral shaped reactor and the tubular reactor (artificial radiation and sunlight). The photocatalytic reduction reaction of Cr(VI) under UV radiation achieved total Cr(VI) reduction of 66.5% and 56.7% for TiO2 and ZnO catalysts, respectively, indicating that the TiO2 catalyst was more efficient than ZnO catalyst. The photochemical reduction reaction of Cr(VI) with ethanol presented high values of total Cr(VI) reduction, and the reactions under UV radiation (96.10%) were more efficient than the reactions under visible radiation (48.1%). In the photocatalytic reduction reaction of Cr(VI) with TiO2 in the presence of ethanol under UV radiation was observed a Cr(VI) reduction of 92.9% greater than the reduction obtained in the photocatalytic reactions with TiO2 under UV radiation (66.5%), demonstrating the synergistic effect between ethanol oxidation and Cr(VI) reduction. When used with real wastewater these processes proved to be efficient and showed high values of total Cr(VI) reduction, enabling the use of these treatments for removal of Cr(VI) present in wastewater discharge of galvanic industries. However, among these processes studied, the most suitable for industrial application appears to be photochemistry with ethanol under UV radiation, because it does not require catalyst separation processes and presents lower reagent costs, since ethanol is inexpensive, non-toxic and easy to purchase. The spiral shaped reactor, which was designed and built, showed more efficient than the batch reactor, presenting a photonic efficiency of 2.5% compared to 1.4% for the batch reactor. Additionally, this reactor was effective when applied to real wastewater, presenting a total Cr(VI) reduction of 51.8% in 6 hours of reaction, and its configuration is suitable for scale up. Thus, a tubular reactor (artificial radiation and sunlight) was designed and built in semi-pilot scale. This reactor presented a Cr(VI) remediation of 86.7% in 6 hours of reaction under sunlight and showed a photonic efficiency higher than spiral shaped reactor. Additionally, the tubular reactor presented similar photonic efficiency when used with either lamps (5.6%) or sunlight (5.5%), however the reactions under sunlight showed a greater total Cr(VI) reduction when compared to the reactions under artificial radiation. Therefore, the tubular reactor, which was designed and built, proved to be efficient when applied to treatment of real wastewater containing Cr(VI) by photochemical reduction process. Furthermore, the use of a solar tubular reactor minimizes the amount of electricity required for the reaction, which not only reduces process costs, but also makes the technology more environmentally sustainable.

Entender o comportamento de filmes de petróleo na interface ar-água é crucial para lidar com derrames de petróleo e reduzir os consecutivos danos ao meio ambiente. Para tanto, filmes de Langmuir preparados com frações de petróleo tem sido normalmente estudados. Entretanto, as propriedades dos filmes preparados a partir de amostras de petróleo bruto podem diferir consideravelmente dos filmes preparados a partir das suas frações individuais. Filmes preparados na interface ar-água de diversas amostras de petróleo com composições distintas foram estudadas usando técnicas espectroscópicas e de superfície incluindo pressão superficial, potencial de superfície, BAM, fluorescência e MEV. Mostramos que petróleo forma um filme de Langmuir não homogêneo na interface ar-água. As isotermas de pressão superficial para os filmes de petróleo exibem as fases gás (G), líquido expandido (LE), líquido condensado (LC) e sólido (S) com quase nenhuma histerese nos ciclos de compressão e descompressão, ao contrário da grande histerese observada em filmes de asfaltenos, maltenos e/ou resinas. A pressão superficial e os dados de microscopia de fluorescência indicam a presença de domínios fluorescentes em equilíbrio com uma fase menos fluorescente do petróleo contendo água estabilizada. Imagens de BAM e fluorescência de filmes LB confirmam a presença dos domínios de água, mesmo em pressões superficiais elevadas, caracterizando inequivocamente a tendência do petróleo em estabilizar sistemas emulsionados. O aumento da quantidade de asfalteno torna o filme mais instável, devido à formação de agregados irreversíveis. Nossos resultados sugerem que é necessário utilizar amostras de petróleo cru ao invés de suas frações, para entender a estrutura e as propriedades de filmes finos de petróleo. Demonstramos que os agentes coletores tensoativos que comprimem uma mancha de óleo sobre a superfície da água por diferença de pressão superficial, não entram no filme de petróleo, mantendo inalterado a estrutura dos domínios. Investigamos também a capacidade de monocamadas dos ácidos graxos saturados C4 a C18 em comprimir e confinar manchas de petróleo bruto brasileiro e seus derivados. A pressão superficial e a velocidade de espalhamento das monocamadas foram determinadas em uma balança de superfície e pelo teste do talco, respectivamente. A compressão e o confinamento das manchas foram estudados em placas de Petri, medindo-se a área das manchas e a espessura das lentes confinadas. Monocamadas de C8 a C12 foram capazes de comprimir manchas de petróleo formando lentes com cerca de 5% de sua área original. Os melhores resultados foram obtidos com as monocamadas de C8 e C12, que confinaram a mancha de petróleo em uma lente com 5 mm de espessura por até 72 horas sem mudanças significativas em sua área. E para finalizar foi estudado a influência da irradiação com fonte de luz artificial em amostras de petróleo com diferentes porcentagens de asfaltenos e volumes espalhados sobre a água. Tais experimentos foram acompanhados de estudos sobre a geração de oxigênio singlete, espectroscopia de fluorescência e de infravermelho. Caracterizamos que as alterações de pressão superficial e encolhimento da mancha são devidos a oxidação por oxigênio singlete que gera novos compostos tensoativos que comprimem a mancha / Understanding the behavior of petroleum films at the air-water interface is crucial for dealing with oil slicks and consecutive reducing the damages to the environment. For this, Langmuir films prepared with oil fractions have often been studied. However, the properties of films prepared from crude oil samples may differ considerably from those of films prepared from its individual fractions. Films prepared in the ar-water interface with several oil samples with different compositions were studied using spectroscopic and surface techniques including surface pressure, surface potential, BAM, fluorescence and SEM. We showed that petroleum forms an inhomogeneous Langmuir film at the air-water interface. The surface pressure isotherms for petroleum films exhibit gas (G), liquid expanded (LE), liquid condensed (LC) and solid (S) phases, with almost no hysteresis in the compression-decompression cycles, unlike the large hysteresis observed in asphaltenes, maltenes and/or resins films. The surface pressure and fluorescence microscopy data indicate the presence of fluorescent areas in balance with a less fluorescent oil containing water stabilized. BAM and LB films microscopy images confirm the presence of water areas, even at high surface pressures, characterizing unequivocally the trend of petroleum to stabilize emulsion systems. The increase in the amount of asphaltene turned the film more unstable. Our results strongly suggest that it is necessary to use crude oil samples instead of its fractions, to understand the structure and properties of oil thin films. We showed that surface collecting agents, which compress an oil slick on the water surface by surface pressure difference, do not mix in the oil film leaving unchanged the structure at the domains. We also examined the ability of monolayers of C4 to C18 saturated fatty acids in compressing and confining slicks of a Brazilian crude oil and its derivates. Surface pressure and monolayer spreading velocity were measured by the surface balance and by the talc test, respectively. The compression and confinement of the oil slicks were studied in Petri dishes, measuring the area of the slick and the thickness of the confined lenses. Monolayers of C8 and C12 were able to compress oil slicks forming lenses with about 5% of its original area. The best results were obtained with C8 and C12 monolayers, which confined oil slick in a lens with 5 mm thick and up to 72 hours without significant changes in the area. And finally we studied the influence of irradiation with artificial light in oil samples with different percentages of asphaltenes and volumes spread on the water. These experiments were accompanied by studies on the generation of singlet oxygen, fluorescence and infrared spectroscopy. We characterized that the changes of surface pressure and shrinkage of the oil slick is due to oxidation by singlet oxygen and generation of new surfactant compounds that compress the oil slick.

Desreguladores Endócrinos (DE) é um termo dado a todos agentes ou substâncias químicas que promovem alterações no sistema endócrino e hormonal dos seres vivos. Estes compostos são encontrados em quantidades escalares micrométricas ou até mesmo nanométricas, em várias matrizes ambientais aquáticas, oriundos dos mais diferentes meios, notavelmente, dos esgotos das residenciais, industriais e agropecuário. Bem como, são derivados químicos antropogênicos, provenientes de pesticidas, plásticos, detergentes, lacas, tintas e ainda estão presentes em cosméticos, medicamentos e alimentos, dentre outros. Neste trabalho estudouse a degradação eletroquímica e fotoquímica do DE conservante parabeno, denominado etilparabeno. A degradação eletroquímica se deu por meio da técnica a potencial controlado, denominada cronoamperometria, enquanto que a fotoquímica se deu por meio das técnicas fotólise, fotocatálise e eletrofotocatálise. Dedicou-se a técnica eletrofotocatalitica uma maior atenção, pois atribui-se a ela a possibilidade de agir de forma extremamente eficaz na degradação de poluentes orgânicos. O agente catalítico utilizado no revestimento das superfícies dos eletrodos foi, o dióxido de titânio (TiO2), depositado por técnicas distintas, tanto para a formação dos nanotubos, quanto para aderência das nanopartículas de TiO2@SiO2 ao substrato. Nas técnicas fotocatálise e eletrofotocatálise estudou-se comparativamente a eficiência dos eletrodos revestidos de nanopartículas (CNP), nanotubos (CNT) e nanotubos revestidos com nanopartículas de TiO2@SiO2 (CNT/P). As degradações do etilparabeno foram acompanhadas por espectrofotometria na região do UV-Vis, cromatografia líquida de alta eficiência (CLAE) e espectrometria de massas (MS) Os resultados da degradação fotoquímico e eletroquímico do etilparabeno foram abordados em termos qualitativos por meio de cromatogramas e quantitativos por meio das propriedades da lei cinética das reações, constante da velocidade (k) e tempo de meia vida (t1/2). Por fim, os produtos da degradação foram identificados por meio de espectroscopia de massas MS e COT onde por meio destes resultados foi sugerido um mecanismo para a reação eletrofotocatalitica utilizando o catalisador CNT/P e ainda, testou-se o seu grau de toxidade por meio do teste fitotóxico com sementes de lactuca sativa (alface lisa). / Desreguladore Endocrine (DE) is a term given to all agents or chemicals that promote changes in the endocrine and hormonal system of living thing. These chemicals are found in scalar quantities (micrometer or even nanometric) in various aquatic environmental matrices, deriving from different means, notably from residential sewage, industrial and agricultural and are derived from anthropogenic chemicals from pesticides, plastics , detergents, lacquers, paints, is still present in cosmetics, medicines and food, among others. In this work we studied the electrochemical and photochemical degradation of DE ethylparaben preservative. Electrochemical degradation occurred through the controlled potential technique, called chronoamperometry, while the photochemical was through the photolysis, photocatalysis and electro photocatalysis techniques, while the later received more attention due to better performance. The catalyst used on the surface electrode coating was titanium dioxide (TiO2), deposited by three different techniques, for both the formation of nanotubes, both of TiO2 and for the adhesion of the nanoparticles of TiO2@SiO2 to the substrate. The photocatalysis and electro photocatalysis technique were studied comparing the effectiveness of coated electrodes nanoparticles (CNP), nanotubes (CNT) and nanotubes coated with nanoparticles of TiO2@SiO2 (CNT/P). The ethylparaben degradations were accompanied by spectrophotometrically in the UV-Vis region, high-performance liquid chromatography (HPLC) and mass spectrometry (MS). The results of electrochemical and photochemical degradation of ethylparaben were discussed in qualitative terms by chromatograms and quantitative kinetic law by means of the properties of reaction, rate constant (k) and half-life (t1/2). Finally, the degradation products were identified by mass spectroscopy MS and also tested for its degree of toxicity by the test phytotoxic seed Lactuca sativa (butter lettuce).

Esta tese explora a potencialidade da radiação roveniente de um laser de gás carbônico para iniciar a combustão-modelo de substâncias simples oxigenadas com o bjetivo de estabelecer algumas das reações elementares relevantes ao processo de combustão. Esta tese é baseada no fato de que espécies intermediárias são geradas frequentemente em estados eletrônicos excitados no pulso do laser. O decaimento destas espécies em função do tempo foi observado pelas medidas de emissão por meio de uma fotomultiplicadora acoplada a filtros de interferência de banda estreita e, registrado em um osciloscópio de 100 MHz cuja base de tempo é gatilhada pelo laser de CO2. A evolução temporal do sinal de emissão foi analisada por um modelo cinético que compreende: 1) um processo de de pseudo-primeira ordem resultante por excitação multifotônica vibracional de colisões moduladas, e 2) decaimento através de emissão espontânea, reações químicas ou supressão radiativa. A cinética resultante das curvas experimentais foi obtida por um método de ajuste de curvas por simulação em um microcomputador. Os sistemas químicos estudados nesta tese compreendem o metanol, etanol, n-propanol, n-butanol e o éter dietílico. A eficiência na formação de C2, CH e OH foi estabelecida pela medida da intensidade e o tempo de subida da quimiluminescência determinado de acordo com o procedimento mencionado acima. A análise das curvas de subida e descida foram estudadas com o precursor puro e na presença de Ar, O2, NO, H2, Cl2, CH4 e C2H6, utilizando nestes casos pressões relativamente altas para garantir um número elevado de colisões. Nos sistemas em mistura com ar ou O2 as espécies emissivas CH e OH apresentam um prolongamento do tempo de decaimento, em geral não-exponencial. Ao mesmo tempo a intensidade relativa dos sinais de quimiluminescência atinge um máximo, sendo particularmente significativa para a espécie OH a uma determinada pressão de oxigênio. Misturas de etanol com O2/Ar resultam para a espécie OH num aumento no valor da vida média radiativa, enquanto que em misturas com CO, C2H6 e propileno (C3H6) é observado uma diminuição significativa. No caso de CO este comportamento é assumido como sendo de processos de relaxação, tendo-se para os dois últimos um processo de abstração de hidrogênio por parte da espécie OH. A presença de um inibidor de reações de radicais livres, NO, tem pouco efeito nos valores das constantes das espécies estudadas. Entretanto, a emissão da espécie OH foi totalmente suprimida em misturas do precursor com Cl2. Neste caso a observação de CH3CL por cromatografia em fase gasosa sugere que reações químicas de alguns dos fragmentos primários inibem o adicional bombeamento pelo laser. Um modo particular de se interpretar o possivel mecanismo de formação das espécies transientes, foi desenvolvido através do cálculo teórico RRKM dos principais processos primários aventados para a decomposição por excitação multifotônica vibracional da molécula de etanol. O cálculo RRKM foi modelado para a eliminação de H2O, processo majoritário a pressões baixas, e diferentes processos de cisões que passam a ter importância a intensidades elevadas de laser. O cálculo teórico mostra claramente que a eliminação de H2O é o canal preferido a baixas energias de excitação, sendo rapidamente reposto pelos outros canais a valores maiores de energia. Um efeito similar é observado para a decomposição unimolecular completa em função da pressão, onde a pressões elevadas, os processos de cisão com produção de radicais livres são dominantes como conseqüência da desativação das moléculas com energia mínima antes que sofram reação química. / This thesis explores the use of a CO2 laser to initiate combustion type reactions in a number of simple oxygen containing organic compounds. This method offers a potential tool to isolate and establish some of the elementary reactions responsible for the initial steps of combustion reactions. The core of the thesis is based on the fact that transient chemical species are generated in electronically excited states by the laser pulse. The time dependent behavior of this species has been observed by measuring the emission on a fast photomultiplier provided with narrow band filtres, and recording it on a 100 MHz oscilloscope triggered by the laser pulse. The time evolution of the emission signal has been analyzed by a kinetic model which includes: 1) an ill-defined pseudo-first arder process as a consequence of collisionally modulated multiphoton vibrational excitation, and 2) decay through spontaneous emission, chemical reaction ar radiative quenching. The resulting kinetics were fitted to the experimental curves by computer simulation. The chemical systems covered in this thesis include methanol, ethanol, n-propanol, n-butanol and diethyl ether. Under pulsed CO2 laser radiation, the efficiency of formation of C2, CH and OH have been established by intensity measurements and the rise time for chemiluminescence determined according to the procedure mentioned above. Emission rise times and decays were studied for the neat systems and in the presence of Ar, O2, NO, H2, CH4, and C2H6 at pressures for which collisional processes are important. Emission from the CH and OH species are sustained for longer times in the presence of air or O2 and the decay becomes distincly non-exponential. There is also a significant intensity effect which is particularly noticeable for OH which reaches a maximum at a given oxygen pressure. Mixtures af ethanol with O2/Ar result in longer lifetimes for OH whereas in mixtures with CO, C2H6 and C3H6 a significant decrease is observed. In the case af CO, this behavior is assumed ta be due to relaxation processes, while in the latter cases hydrogen abstraction by OH is presumably responsible for the decrease. The presence of the well known scavenger NO had little effect on the rate constants used to describe the emission process. On the other hand, OH emission was completely quenchend in mixtures of the precursor with Cl2. In this case, the observation of CH3Cl by gas chromatography suggests that chemical reaction of some of the primary dissociation fragments inhibits further laser pumping. An attempt to understand the possible mechanism for the formatiun of the transient species was developed through the use of an RRKM calculation of the primary dissociation processes of ethanol under multiphoton excitation. The RRKM calculations were modelled for the H2O elimination, the main process at low pressures, and different bond scission processes which may become important at higher laser intensities. The theoretical calculation clearly shows that H2O elimination is the preferred pathway at lower excitation energies but is rapidly replaced by the other channels at higher energy contents. A similar effect is observed for the complete unimolecular decomposition as a function of pressure, where at the higher pressures, the bond scission processes yielding free radicals are dominant as a consequence of the deactivation of the molecules with threshold energies before they can undergo chemical reaction.