Dissertação (Mestrado em Engenharia Química) - Centro Universitário FEI, São Bernardo do Campo, 2017.

Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) e Absorção Ótica Eletrônica foram utilizadas para estudar-se os complexos de Cobre (II) com tris-hidroximetil aminometano em solução. A análise dos parâmetros de RPE e óticos medidos na solução a diversos pHs foi feita tendo-se à mão as curvas de formação dos complexos. Estas curvas foram construídas em função do pH da solução, usando os dados de equilíbrio químico publicado por K. S. Bai e Martell (J. Inorg. Nucl. Chem. 31 (1969) 1697-1707), numa faixa de concentração de tris na qual este reagente é usando como tampão em estudos biológicos e químicos. Determinou-se cinco conjunto de parâmetros de RPE (go, ao, a11 e A11, correspondentes a diferentes complexos de íon metálico. Cada um desses espectros é encontrado em determinados intervalos de pH, sendo possível associá-los aos complexos previstos nas curvas de formação. A maior estabilidade dos complexos que se formam a pHs mais altos segundo as constantes de equilíbrio é evidenciada pelos valores e go isotrópico (RPE) menores pelos desdobramentos hiperfino isotrópico ao (RPE) e de campo cristalino (ótica) maiores do que os encontrados nas soluções menos alcalinas. A formação do complexo quelato neutro a pH alcalino foi observada, e obteve-se seu tensor g, das medidas do cristal simples. Este tensor encontra-se em bom acordo com o valor de g isotrópico determinado em solução (go=1/3(gxx+gyy+gzz)). Existe evidência de que este complexo seja pentacoordenado). Observou-se similaridade entre os parâmetros para os complexos coordenados por: 2N e 1N+1 0‾ 3N e 2N+1 0&#8254 ; 4N e 2N+2 0&#8254. Isto leva à conclusão de que do ponto de vista energético a coordenação de nitrogênio Cu2+ e a coordenação do oxigênio negativo ao Cu2+ nestes complexos são equivalentes, pelo menos dentro de nossa resolução experimental. / Electron Paramagnetic Ressonance (EPR) and optical visible spectroscopies were used to study the complexes of Cu (II) íon with tris-hydroxymethylamino methane (tris) in solution. Analyses of EPR and optical parameters measured in solution were made using the calculated formation curvesof the complexes. These formation curves were calculated as function of the solution pH, on the basis of the equilibrium constants published by K.S. Bai and Martell (J. Inorg.Nucl. Chem. 31 (1969)-1967-1707), for a concentration of this normally employed in a buffer in biochemical studies. Five sets of EPR parameters ((go, ao, a11 e A11) were determined corresponding to different metal complexes. Each det is found in a characteristic pH range and it was possible to make a correlation of these complexes with the appear in the formation curve plot. The greater stability of the complexes in the high pH range is indicated by the values of go, wich are smaller and the values of the hyperfine splittings ao and the crystal field splittings (from optical measurements) which are greater tahn at the less alcaline solutions. The formation of the neural chelate complexa t alcaline pH was observed, and its g-factors were obtained from measurements with the single crystal. These g-factors agree very well with the solution value (go=1/3(gxx+gyy+gzz)) and the orthorombic symmetriy is obtained. Evidence is present that this complex is penta-coordinated. It was observed a similarity between the EPR parameters for the complexes coordinated by: : 2N e 1N+1 0‾ 3N e 2N+1 0&#8254 ; 4N e 2N+2 0&#8254. This lead us the conclusion that from the energetical point of view the coordination of Cu2+ to nitrogen or to negative oxigen in these cases are equivalent, at or our resolution is not sufficent to differentiate between them.

Ressonância Paramagnética Eletrônica (RPE) e Absorção Ótica Eletrônica foram utilizadas para estudar-se os complexos de Cobre (II) com tris-hidroximetil aminometano em solução. A análise dos parâmetros de RPE e óticos medidos na solução a diversos pHs foi feita tendo-se à mão as curvas de formação dos complexos. Estas curvas foram construídas em função do pH da solução, usando os dados de equilíbrio químico publicado por K. S. Bai e Martell (J. Inorg. Nucl. Chem. 31 (1969) 1697-1707), numa faixa de concentração de tris na qual este reagente é usando como tampão em estudos biológicos e químicos. Determinou-se cinco conjunto de parâmetros de RPE (go, ao, a11 e A11, correspondentes a diferentes complexos de íon metálico. Cada um desses espectros é encontrado em determinados intervalos de pH, sendo possível associá-los aos complexos previstos nas curvas de formação. A maior estabilidade dos complexos que se formam a pHs mais altos segundo as constantes de equilíbrio é evidenciada pelos valores e go isotrópico (RPE) menores pelos desdobramentos hiperfino isotrópico ao (RPE) e de campo cristalino (ótica) maiores do que os encontrados nas soluções menos alcalinas. A formação do complexo quelato neutro a pH alcalino foi observada, e obteve-se seu tensor g, das medidas do cristal simples. Este tensor encontra-se em bom acordo com o valor de g isotrópico determinado em solução (go=1/3(gxx+gyy+gzz)). Existe evidência de que este complexo seja pentacoordenado). Observou-se similaridade entre os parâmetros para os complexos coordenados por: 2N e 1N+1 0‾ 3N e 2N+1 0&#8254 ; 4N e 2N+2 0&#8254. Isto leva à conclusão de que do ponto de vista energético a coordenação de nitrogênio Cu2+ e a coordenação do oxigênio negativo ao Cu2+ nestes complexos são equivalentes, pelo menos dentro de nossa resolução experimental. / Electron Paramagnetic Ressonance (EPR) and optical visible spectroscopies were used to study the complexes of Cu (II) íon with tris-hydroxymethylamino methane (tris) in solution. Analyses of EPR and optical parameters measured in solution were made using the calculated formation curvesof the complexes. These formation curves were calculated as function of the solution pH, on the basis of the equilibrium constants published by K.S. Bai and Martell (J. Inorg.Nucl. Chem. 31 (1969)-1967-1707), for a concentration of this normally employed in a buffer in biochemical studies. Five sets of EPR parameters ((go, ao, a11 e A11) were determined corresponding to different metal complexes. Each det is found in a characteristic pH range and it was possible to make a correlation of these complexes with the appear in the formation curve plot. The greater stability of the complexes in the high pH range is indicated by the values of go, wich are smaller and the values of the hyperfine splittings ao and the crystal field splittings (from optical measurements) which are greater tahn at the less alcaline solutions. The formation of the neural chelate complexa t alcaline pH was observed, and its g-factors were obtained from measurements with the single crystal. These g-factors agree very well with the solution value (go=1/3(gxx+gyy+gzz)) and the orthorombic symmetriy is obtained. Evidence is present that this complex is penta-coordinated. It was observed a similarity between the EPR parameters for the complexes coordinated by: : 2N e 1N+1 0‾ 3N e 2N+1 0&#8254 ; 4N e 2N+2 0&#8254. This lead us the conclusion that from the energetical point of view the coordination of Cu2+ to nitrogen or to negative oxigen in these cases are equivalent, at or our resolution is not sufficent to differentiate between them.

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O ácido kójico, ou 5-hidroxi-2-hidroximetil-γ-pirona (HMP), é conhecido por inibir a enzima tirosinase no processo de produção da melanina, sendo extensivamente utilizado em cosméticos e também como tratamento tópico para melasma, não havendo citotoxicidade em humanos; entretanto, o potencial do HMP como agente antileishmania não é conhecido. O presente estudo analisou o efeito deste bioproduto em infecções por L. amazonensis in vitro e in vivo. O HMP promoveu a diminuição do crescimento de promastigotas e amastigotas em 62% (IC₅₀ 34μg/mL) e 79% (IC₅₀ 27,84 μg/mL) in vitro, respectivamente. A análise ultraestrutural de ambas as formas evolutivas tratadas com 50 μg/mL do HMP apresentaram corpos vesiculares no interior da bolsa flagelar, induziu uma intensa vacuolização intracelular bem como alterações mitocondriais. O estudo in vitro também demonstrou que o HMP foi capaz de reverter o efeito inibitório causado pela L. amazonensis no que diz respeito à produção de radicais de oxigênio. A análise histopatológica de lesões proveniente de animais submetidos ao tratamento tópico com o HMP demonstrou que o tecido apresentou um intenso processo de cicatrização. Além disso, fibras colágenas foram encontradas de maneira organizada no local da infecção de animais tratados, com um pequeno infiltrado celular e diminuição do número de parasitos. Tendo em vista a ação seletiva do HMP in vitro, o processo de ativação da célula hospedeira pelo bioproduto e a diminuição do número de parasitos observados durante o tratamento com a pomada, e pelo fato do HMP ser amplamente utilizado como agente antimelasma em humanos, esse metabólito pode ser promissor como tratamento tópico contra a Leishmaniose cutânea e apresentando grande potencial como agente leishmanicida. / Leishmaniasis includes a group of infectious diseases with worldwide distribution. Chemotherapy is one of the most effective treatments for this disease; although a number of anti-leishmanial drugs are available, these drugs are in general toxic, expensive and require long-term treatment. Kojic acid, or 5-hydroxy-2-hydroxymethyl-γ-pyrone (HMP), is well known for effectively inhibiting the tyrosinase enzyme in the process of melanin biosynthesis and is extensively used in cosmetics and as a topical treatment for melasm with no cytotoxicity observed in humans; however its potential as anti-leishmanial agent are unknown. The present study was designed to determine the effect of this bioproduct on L. amazonensis, following in vitro and in vivo infections. HMP (50μg/mL) was found to decrease the growth by 62% (IC₅₀ 34 μg/mL) and 79% (IC₅₀ 27.84 μg/mL) of promastigotes and amastigotes in vitro, respectively. Ultrastructural analysis of both evolutive forms showed that HMP increasing the presence of vesicles bodies into the flagellar pocket, and inducing an intense intracellular vacuolization and swelling of the mitochondrion. In vitro study also demonstrated that HMP is able to reverse ROS inhibitory mechanism promoted by L. amazonensis observed by nitroblue tetrazolium reaction. Histopathologycal analysis of in vivo topical treatment with HMP ointment showed healing process and suppressed ulcer dissemination in animal model. In addition, collagen fibers stained by picrosirus red, were found at the infection site of HMP-treated animals and an absence or low-level cellular infiltrate was observed, as well as a decrease in parasite burden. In view of the in vitro selective action of HMP on leishmania parasites, the activation of host cells and in vivo decrease in parasite burden, observed using HMP ointment, as well as the fact that HMP is widely and safely applied as an antimelasm agent in humans, this compound could be useful for the selective treatment of cutaneous leishmaniasis and may hold great potential as an anti-leishmanial agent.

[ES] En esta Tesis Doctoral se presenta la obtención de productos de alto valor añadido a partir del 5-hidroximetilfurfural (HMF), una molécula plataforma derivada de la biomasa, mediante procesos catalíticos en cascada. La oxidación aeróbica selectiva del HMF a 2,5-diformilfurano se ha logrado utilizando un catalizador de Ru/C dopado con potasio. Se ha optimizado tanto el tamaño de las nanopartículas de metal Ru como la naturaleza y cantidad del dopante alcalino. Los resultados mostraron que dopar el catalizador de Ru/C con una cantidad controlada de potasio incrementa la actividad catalítica 2.5 veces en comparación con la muestra no dopada. Los estudios espectroscópicos indicaron que estas diferencias en la actividad se pueden atribuir a la presencia de especies de Ru enriquecidas en electrones en la muestra dopada, lo que facilita la disociación de O2 y al mismo tiempo previene la oxidación del metal. El catalizador de Ru/C dopado con K resultó ser muy estable frente a la lixiviación y el sinterizado del metal, permitiendo su reutilización en varios ciclos de reacción consecutivos. Además, el catalizador se pudo aplicar con éxito en la oxidación de selectiva de diferentes alcoholes primarios a aldehídos. Se ha llevado a cabo con éxito una reacción en cascada para la obtención de furandiaminas secundarias a partir del HMF mediante el acoplamiento de la reacción de oxidación del HMF a DFF, seguida de la aminación reductiva del DFF con una amina primaria, utilizando 3%Ru/C-K450 como único catalizador. Los estudios comparativos entre el catalizador dopado con potasio y no dopado revelaron que el catalizador dopado presenta una mayor actividad, la cual se atribuye a una menor interacción entre las especies activas de H* y Ru, de acuerdo con los resultados obtenidos de TPD-H2. Las furandiaminas obtenidas a partir de aminas primarias grasas (octilamina y dodecilamina) en la reacción en cascada se han empleado para la obtención de moléculas basadas en sales de bis-amonio cuaternario y se ha determinado su concentración micelar crítica (CMC), indicando que poseen alto potencial para ser utilizadas como surfactantes gemini. Por otra parte, el HMF ha sido exitosamente valorizado en 3-hidroximetilciclopentilamina mediante un proceso en cascada en fase acuosa, acoplando la reacción de transposición hidrogenativa del HMF a 3-hidroximetilciclopentanona (HCPN) con una posterior aminación reductiva con amoníaco utilizando catalizadores basados en metales no nobles. Se prepararon y caracterizaron nanopartículas mono- (Ni@C, Co@C) y bimetálicas (NiCo@C) con diferentes proporciones de Ni/Co, parcialmente cubiertas por una fina capa de carbón. Los resultados mostraron que un catalizador de NiCo (relación molar Ni/Co=1, Ni1Co1@C) presentó un excelente rendimiento en la transposición hidrogenativa del HMF a HCPN. La alta selectividad del catalizador se atribuyó a la formación de estructuras aleadas NiCo, que limitaron reacciones competitivas. La posterior aminación reductiva de HCPN con amoníaco en fase acuosa se realizó obteniendo la 3-hidroximetilciclopentilamina objetivo. Además, el catalizador mostró alta estabilidad, manteniendo su actividad y selectividad en ciclos repetidos de reacción. Por último, utilizando el catalizador Ni1Co1@C, se ha llevado a cabo la hidrogenación selectiva del 5-hidroximetilfurfural (HMF) a 2,5-bis-(hidroximetil)tetrahidro-furano (BHMTHF) en un reactor de lecho fijo, utilizando agua como disolvente. Se ha establecido la secuencia de reacción, en la cual el grupo carbonilo del HMF se reduce primero a alcohol, dando lugar a 2,5-bis-(hidroximetil)furano (BHMF), seguido de una hidrogenación de los dobles enlaces del anillo furánico. La formación de subproductos se debe principalmente a la apertura del anillo furánico y a los procesos de transposición del anillo del BHMF, promovidos por el agua. El catalizador demostró una alta estabilidad,manteniendo su rendimiento durante 65 horas bajo condiciones optimizadas. / [CA] Aquesta Tesi Doctoral presenta l'obtenció de productes d'alt valor afegit a partir del 5-hidroximetilfurfural (HMF), una molècula plataforma derivada de la biomassa, mitjançant processos catalítics en cascada. S'ha aconseguit l'oxidació selectiva aeròbica del HMF a 2,5-diformilfurà utilitzant un catalitzador de Ru/C dopat amb potassi. Tant la mida de les nanopartícules de metall de Ru com la naturalesa i la quantitat del dopant alcalí han estat optimitzades. Els resultats van mostrar que dopar el catalitzador de Ru/C amb una quantitat controlada de potassi incrementa l'activitat catalítica en 2.5 vegades en comparació amb la mostra no dopada. Els estudis espectroscòpics van indicar que aquestes diferències en l'activitat es poden atribuir a la presència d'espècies de Ru enriquides en electrons en la mostra dopada, la qual cosa facilita la dissociació de l'O2 al mateix temps que evita l'oxidació del metall. El catalitzador de Ru/C dopat amb potassi va demostrar una gran estabilitat contra la lixiviació i el sinteritzat del metall, cosa que va permetre la seva reutilització en diversos cicles de reacció consecutius. A més, el catalitzador es va aplicar amb èxit en l'oxidació selectiva de diferents alcohols primaris a aldehids. S'ha dut a terme amb èxit una reacció en cascada per a l'obtenció de furandiamines secundàries a partir de l'HMF mitjançant l'acoblament de la reacció d'oxidació de l'HMF a DFF, seguit de l'aminació reductiva del DFF amb una amina primària, utilitzant 3%Ru/C-K450 com a únic catalitzador. Els estudis comparatius entre el catalitzador dopat amb potassi i el no dopat van revelar que el catalitzador dopat presenta una activitat més elevada, atribuïda a una menor interacció entre les espècies actives d'H* i Ru, d'acord amb els resultats obtinguts de TPD-H2. Les furandiamines obtingudes a partir d'amines primàries grasses (octilamina i dodecilamina) en la reacció en cascada s'han emprat per a l'obtenció de molècules basades en sals de bis-amoni quaternari i s'ha determinat la seua concentració micel·lar crítica (CMC) (de l'ordre de micromols/L), indicant que tenen un alt potencial per a ser utilitzades com a tensioactius gemini. A més, el 5-hidroximetilfurfural (HMF) ha sigut valoritzat amb èxit en 3-hidroximetilciclopentilamina mitjançant un procés en cascada en fase aquosa, acoblant la reacció de transposició hidrogenativa de l'HMF a 3-hidroximetilciclopentanona (HCPN) amb una posterior aminació reductiva amb amoníac utilitzant catalitzadors basats en metalls no nobles. Es van preparar i caracteritzar nanopartícules mono- (Ni@C, Co@C) i bimetàl·liques (NiCo@C) amb diferents proporcions de Ni/Co, parcialment cobertes per una fina capa de carboni. Els resultats van mostrar que un catalitzador de NiCo (relació molar Ni/Co=1, Ni1Co1@C) va presentar un excel·lent rendiment en la transposició hidrogenativa de l'HMF a HCPN. L'alta selectivitat del catalitzador es va atribuir a la formació d'estructures d'aliatge NiCo, que van limitar reaccions competitives. La posterior aminació reductiva de l'HCPN amb amoníac en fase aquosa es va dur a terme obtenint la 3-hidroximetilciclopentilamina desitjada. A més, el catalitzador va demostrar una alta estabilitat, mantenint la seva activitat i selectivitat en cicles de reacció repetits. Finalment, utilitzant el catalitzador Ni1Co1@C, s'ha dut a terme la hidrogenació selectiva del 5-hidroximetilfurfural (HMF) a 2,5-bis-(hidroximetil)tetrahidrofurà (BHMTHF) en un reactor de llit fix, utilitzant aigua com a dissolvent. S'ha establit la seqüència de reacció, en la qual el grup carbonil de l'HMF es redueix primer a alcohol, donant lloc a 2,5-bis-(hidroximetil)furà (BHMF), seguit d'una hidrogenació dels dobles enllaços del nucli furànic. La formació de subproductes es deu principalment a l'obertura del nucli furànic i als processos de transposició del nucli del BHMF, promoguts per l'aigua. El catalitzador va demostrar una alta estabilitat, mantenint el seu rendiment durant 65 hores. / [EN] This Doctoral Thesis presents the production of high value-added products from 5-hydroxymethylfurfural (HMF), a platform molecule derived from biomass, through cascade catalytic processes. The selective aerobic oxidation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-diformylfuran (DFF) has been achieved using a potassium-doped Ru/C catalyst. Both the size of the Ru metal nanoparticles and the nature and amount of the alkaline dopant were optimized. The results showed that doping the Ru/C catalyst with a controlled amount of potassium increases the catalytic activity by 2.5 times compared to the undoped sample. Spectroscopic studies indicated that these differences in activity can be attributed to the presence of electron-enriched Ru species in the doped sample, which facilitates O2 dissociation while preventing metal oxidation. The potassium-doped Ru/C catalyst proved to be highly stable against metal leaching and sintering, allowing for its reuse in multiple consecutive reaction cycles. Furthermore, the catalyst was successfully applied in the selective oxidation of various primary alcohols to aldehydes. A cascade reaction for the production of secondary furandiamines from HMF was successfully carried out by coupling the oxidation of HMF to DFF, followed by the reductive amination of DFF with a primary amine, using 3%Ru/C-K450 as the sole catalyst. Comparative studies between the potassium-doped and undoped catalysts revealed that the doped catalyst exhibits higher activity, attributed to a reduced interaction between H* and Ru active species, according to the TPD-H2 results. Furandiamines obtained from fatty primary amines (octylamine and dodecylamine) in the cascade reaction were used to produce molecules based on bis-quaternary ammonium salts, and their critical micelle concentration (CMC) (in the micromolar range) was determined, indicating a high potential for use as gemini surfactants. Additionally, 5-hydroxymethylfurfural (HMF) was successfully valorized into 3-hydroxymethylcyclopentylamine through a cascade process in aqueous phase, coupling the hydrogenative rearrangement of HMF to 3-hydroxymethylcyclopentanone (HCPN) with subsequent reductive amination with ammonia using non-noble metal-based catalysts. Mono- (Ni@C, Co@C) and bimetallic (NiCo@C) nanoparticles with different Ni/Co ratios, partially covered by a thin carbon layer, were prepared and characterized. The results showed that a NiCo catalyst (Ni/Co molar ratio = 1, Ni1Co1@C) exhibited excellent performance in the hydrogenative rearrangement of HMF to HCPN. The high selectivity of the catalyst was attributed to the formation of NiCo alloy structures, which limited competing reactions. The subsequent reductive amination of HCPN with ammonia in aqueous phase successfully produced the target molecule 3-hydroxymethylcyclopentylamine. Furthermore, the catalyst demonstrated high stability, maintaining its activity and selectivity in repeated reaction cycles. Finally, using the Ni1Co1@C catalyst, the selective hydrogenation of 5-hydroxymethylfurfural (HMF) to 2,5-bis-(hydroxymethyl)tetrahydrofuran (BHMTHF) was carried out in a fixed-bed reactor using water as the solvent. The reaction sequence was established, where the carbonyl group of HMF is first reduced to alcohol, yielding 2,5-bis-(hydroxymethyl)furan (BHMF), followed by hydrogenation of the furan ring double bonds. The formation of by-products was primarily due to furan ring opening and BHMF ring rearrangement processes, promoted by water. The catalyst showed high stability, maintaining its performance for 65 hours under optimized conditions. / Hurtado Cebrián, B. (2025). Valorización del 5-hidroximetilfurfural en compuestos de química fina mediante reacciones en cascada utilizando nanopartículas metálicas [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/214748