Made available in DSpace on 2018-06-27T18:56:39Z (GMT). No. of bitstreams: 3 Ivi Lara.pdf: 2225740 bytes, checksum: 7987b7b16ad759ad1c13cf82cc2ba0ae (MD5) Ivi Lara.pdf.txt: 179428 bytes, checksum: 7367389b56d0393e07698631b3f3e926 (MD5) Ivi Lara.pdf.jpg: 3328 bytes, checksum: adc571d951701abcdea7d0b3762d108a (MD5) / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / This dissertation studied the interaction of carboxyl groups -COOH with (8,0) and (16,0) single wall carbon nanotubes, both semiconductors, by ab initio calculation based on the formalism of the Density Functional Theory using the SIESTA code, in which were adopted localized bases to the electronic wave functions description and Troullier- Martins pseudopotentials for describing the interaction between valence electrons and core electrons. As the -COOH group is taken as default when the purpose of the carbon nanotubes functionalization is to make them hydrophilic, this interaction was studied by different positions of the carboxyl on the nanotubes walls with different concentrations of those seeking to verify the influence of these parameters in the electronic character of the carbon nanotubes. By analyzing the energetic, structural and electronic properties of all patterns, it is observed that the carboxyl groups interact with the nanotubes through covalent bonds (binding energies between −3.39 and −0.73 eV , with the smallest for the case of carboxyl confined within the nanotube), nanotubes (16,0) are more flexible than the (8,0) (when connected to the same number of carboxyl groups), and a behavior, very interesting, is presented when the concentration of carboxylation is varied: the character of the system can be modulated from a semiconductor to semiconductor with a halffilled level over the Fermi level (methalic character tendency). It is still studied in this work, the dynamics of water molecules around pure and carboxylated carbon nanotubes, obtained from ab initio calculations, through classic molecular dynamics simulations, using empirical parameters with the GROMACS program. The structural analysis of water around the tubes indicated the already expected hydrophobic character of the pure nanotubes and the hydrophilic character of the carboxylated nanotubes with which the water molecules interactions are greater with its walls, a fact confirmed by energy analysis, which shows a higher interaction energy in this system. This work has, in addition to contributing to the understanding and analysis of related experimental results, pointing out also the possibility to modulate the electronic behavior of these systems at the nanoscale. / Nesta dissertação é estudada a interação de grupos carboxila (-COOH) com nanotubos de carbono de paredes simples dos tipos (8,0) e (16,0), ambos semicondutores, através de cálculos ab initio baseados no formalismo da Teoria do Funcional da Densidade. Foi utilizado o programa SIESTA, no qual foram adotadas bases localizadas para a descrição das funções de onda eletrônicas, bem como pseudopotenciais de Troullier-Martins para a descrição da interação entre os elétrons de valência e o caroço atômico. Como o grupo -COOH é usado como grupo padrão quando o objetivo da funcionalização ao dos NTCs é torná-los hidrofílicos, esta interação foi estudada através de diferentes posições das carboxilas nas paredes dos nanotubos, com diferentes concentrações destas, buscando verificar a influência destes parâmetros no caráter eletrônico dos NTCs. Analisando as propriedades energéticas, estruturais e eletrônicas de todas as configurações estudadas, observa-se que as carboxilas interagem com os nanotubos através de ligações covalentes (energias de ligação entre −3, 39 e −0, 73 eV , sendo a menor para o caso da carboxila confinada no interior do nanotubo), os nanotubos (16,0) se mostram mais flexíveis que os (8,0) (quando ligados ao mesmo número de carboxilas) e, um comportamento, bastante interessante, se apresenta quando a concentração da carboxilação é variada: o caráter do sistema pode ser modulado de semicondutor para semicondutor com gap semipreenchido (tendência a caráter metálico). É, estudada ainda, neste trabalho, a dinâmica das moléculas de água em torno de nanotubos puros e carboxilados, obtidos a partir dos calculos ab initio, através de simulações de dinâmica molecular clássica, utilizando parâmetros empíricos com o programa GROMACS. A análise estrutural da água em torno dos nanotubos indicou o já esperado caráter hidrofóbico dos NTCs puros, bem como o caráter hidrofílico do nanotubo carboxilado, com o qual as moléculas de água passam a ter uma maior interação com suas paredes, fato este confirmado através da análise energética, que mostra uma maior energia de interação nesse sistema. Este trabalho vem, além de contribuir na compreensão e análise dos referentes resultados experimentais, apontar, ainda, a possibilidade de modular o comportamento eletrônico desses sistemas na nanoescala.

Made available in DSpace on 2017-05-12T14:46:52Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ralpho.pdf: 2205542 bytes, checksum: 37ae4ee862cc62b72b5ed65409967739 (MD5) Previous issue date: 2013-05-17 / Collecting data on pesticide effects on the environment and several ecosystems is a slow and costly process. Therefore, significant research efforts have been focused on developing mathematical models to predict physical, chemical or biological properties of environmental interest. The soil sorption coefficient normalized to organic carbon content (Koc) is a physicochemical key parameter used in environmental risk assessments of substances released into the environment. Thus, several logKoc prediction models that use hydrophobic parameter (logP) or the logarithm of water solubility (logS) as descriptor have been reported in the last decades. Mostly, due to the lack of reliable experimental values of logP or logS, algorithms are used to calculate such properties. Despite the availability and easiness to access several algorithms for this purpose, scientific studies do not describe the procedure adopted to choose the algorithm used in quantitative structure-property relationship (QSPR) studies. Furthermore, the strong correlation between logP and logS prevents their application in the same mathematical equation obtained by multiple linear regression method. Since the sorption process of a chemical compound in soil is related both to its water solubility and its water/organic matter partition, it is expected models that are able to combine these two properties will can record more realistic results. This doctoral dissertation consists of two scientific papers. In the first one, a study was carried out to check the influence of choosing logP algorithm on logKoc modeling. Models were constructed to relate logKoc with logP according to different freeware algorithms. All models were assessed based on their statistic qualities and predictive power. The obtained results clearly showed that an arbitrary choice of the algorithm may not result in the best prediction model. On the other hand, a good choice can lead to obtaining simple models with statistic qualities and predictive power comparable to more complex models. The second paper aims at proposing an alternative approach for logKoc modeling, using simple descriptor of solubility, here referred as logarithm of corrected solubility by octanol/water partition (logSP). Thus, models were built with this descriptor and also with logP and logS conventional descriptors, which are isolated or associated with other explicative variables of easy physicochemical interpretation. The obtained models were validated and compared to other models previously published. The results showed that the use of logSP descriptor to replace the conventional ones led to obtaining simple models with statistic qualities and predictive power that are higher than other more complex models already found in literature. / A coleta de dados relativos aos danos causados pelos pesticidas sobre o meio ambiente e seus ecossistemas é lenta e onerosa. Desta maneira, grandes incentivos têm sido destinados às pesquisas que visam à construção de modelos matemáticos para predição de propriedades físicas, químicas ou biológicas de interesse ambiental. O coeficiente de sorção no solo normalizado para o conteúdo de carbono orgânico (Koc) é um importante parâmetro físico-químico utilizado nas avaliações de riscos ambientais das substâncias lançadas no meio ambiente. Assim, vários modelos para predição de logKoc, utilizando o parâmetro hidrofóbico (logP) ou o logaritmo da solubilidade em água (logS) como descritores, têm sido publicados nas últimas décadas. Muitas vezes, em virtude da ausência de valores experimentais confiáveis de logP ou logS, são usados algoritmos para o cálculo dessas propriedades. Apesar da disponibilidade e facilidade de acesso a diversos algoritmos para tal finalidade, os artigos científicos não descrevem o procedimento adotado para escolha do algoritmo usado nos estudos QSPR. Além disto, a forte correlação entre logP e logS impede que sejam usados em uma mesma equação obtida por regressão linear múltipla. Como o processo de sorção de um composto químico no solo está relacionado tanto com sua solubilidade em água como com sua partição água/matéria orgânica, espera-se que modelos que sejam capazes de combinar essas duas informações possam gerar resultados mais realistas. Este trabalho de tese é constituído de dois artigos. No primeiro artigo, foi feito um estudo para verificar a influência da escolha do algoritmo de logP na modelagem de logKoc. Foram construídos modelos que relacionam logKoc com logP a partir de diferentes algoritmos livres disponíveis. Todos os modelos foram avaliados quanto às suas qualidades estatísticas e poder de predição. Os resultados obtidos mostraram claramente que uma escolha arbitrária deste algoritmo pode não levar ao melhor modelo de predição. Por outro lado, uma boa escolha pode conduzir à obtenção de modelos simples com qualidades estatísticas e poder de predição comparáveis a de modelos mais complexos. No segundo artigo, o objetivo foi a proposição de uma abordagem alternativa para a modelagem de logKoc, utilizando um descritor simples de solubilidade, aqui designado como logaritmo da solubilidade corrigida pela partição octanol/água (logSP). Assim, foram construídos modelos com tal descritor e também com os descritores convencionais logP e logS, isolados ou associados com outras variáveis explicativas de fácil interpretação físico-química. Os modelos obtidos foram validados e comparados com outros modelos publicados anteriormente. Os resultados mostraram que o uso do descritor logSp em substituição aos descritores convencionais conduziu à obtenção de modelos simples com qualidades estatísticas e poder de predição superiores a de outros modelos mais complexos encontrados na literatura.

Made available in DSpace on 2017-07-10T19:23:40Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Ralpho.pdf: 2205542 bytes, checksum: 37ae4ee862cc62b72b5ed65409967739 (MD5) Previous issue date: 2013-05-17 / Collecting data on pesticide effects on the environment and several ecosystems is a slow and costly process. Therefore, significant research efforts have been focused on developing mathematical models to predict physical, chemical or biological properties of environmental interest. The soil sorption coefficient normalized to organic carbon content (Koc) is a physicochemical key parameter used in environmental risk assessments of substances released into the environment. Thus, several logKoc prediction models that use hydrophobic parameter (logP) or the logarithm of water solubility (logS) as descriptor have been reported in the last decades. Mostly, due to the lack of reliable experimental values of logP or logS, algorithms are used to calculate such properties. Despite the availability and easiness to access several algorithms for this purpose, scientific studies do not describe the procedure adopted to choose the algorithm used in quantitative structure-property relationship (QSPR) studies. Furthermore, the strong correlation between logP and logS prevents their application in the same mathematical equation obtained by multiple linear regression method. Since the sorption process of a chemical compound in soil is related both to its water solubility and its water/organic matter partition, it is expected models that are able to combine these two properties will can record more realistic results. This doctoral dissertation consists of two scientific papers. In the first one, a study was carried out to check the influence of choosing logP algorithm on logKoc modeling. Models were constructed to relate logKoc with logP according to different freeware algorithms. All models were assessed based on their statistic qualities and predictive power. The obtained results clearly showed that an arbitrary choice of the algorithm may not result in the best prediction model. On the other hand, a good choice can lead to obtaining simple models with statistic qualities and predictive power comparable to more complex models. The second paper aims at proposing an alternative approach for logKoc modeling, using simple descriptor of solubility, here referred as logarithm of corrected solubility by octanol/water partition (logSP). Thus, models were built with this descriptor and also with logP and logS conventional descriptors, which are isolated or associated with other explicative variables of easy physicochemical interpretation. The obtained models were validated and compared to other models previously published. The results showed that the use of logSP descriptor to replace the conventional ones led to obtaining simple models with statistic qualities and predictive power that are higher than other more complex models already found in literature. / A coleta de dados relativos aos danos causados pelos pesticidas sobre o meio ambiente e seus ecossistemas é lenta e onerosa. Desta maneira, grandes incentivos têm sido destinados às pesquisas que visam à construção de modelos matemáticos para predição de propriedades físicas, químicas ou biológicas de interesse ambiental. O coeficiente de sorção no solo normalizado para o conteúdo de carbono orgânico (Koc) é um importante parâmetro físico-químico utilizado nas avaliações de riscos ambientais das substâncias lançadas no meio ambiente. Assim, vários modelos para predição de logKoc, utilizando o parâmetro hidrofóbico (logP) ou o logaritmo da solubilidade em água (logS) como descritores, têm sido publicados nas últimas décadas. Muitas vezes, em virtude da ausência de valores experimentais confiáveis de logP ou logS, são usados algoritmos para o cálculo dessas propriedades. Apesar da disponibilidade e facilidade de acesso a diversos algoritmos para tal finalidade, os artigos científicos não descrevem o procedimento adotado para escolha do algoritmo usado nos estudos QSPR. Além disto, a forte correlação entre logP e logS impede que sejam usados em uma mesma equação obtida por regressão linear múltipla. Como o processo de sorção de um composto químico no solo está relacionado tanto com sua solubilidade em água como com sua partição água/matéria orgânica, espera-se que modelos que sejam capazes de combinar essas duas informações possam gerar resultados mais realistas. Este trabalho de tese é constituído de dois artigos. No primeiro artigo, foi feito um estudo para verificar a influência da escolha do algoritmo de logP na modelagem de logKoc. Foram construídos modelos que relacionam logKoc com logP a partir de diferentes algoritmos livres disponíveis. Todos os modelos foram avaliados quanto às suas qualidades estatísticas e poder de predição. Os resultados obtidos mostraram claramente que uma escolha arbitrária deste algoritmo pode não levar ao melhor modelo de predição. Por outro lado, uma boa escolha pode conduzir à obtenção de modelos simples com qualidades estatísticas e poder de predição comparáveis a de modelos mais complexos. No segundo artigo, o objetivo foi a proposição de uma abordagem alternativa para a modelagem de logKoc, utilizando um descritor simples de solubilidade, aqui designado como logaritmo da solubilidade corrigida pela partição octanol/água (logSP). Assim, foram construídos modelos com tal descritor e também com os descritores convencionais logP e logS, isolados ou associados com outras variáveis explicativas de fácil interpretação físico-química. Os modelos obtidos foram validados e comparados com outros modelos publicados anteriormente. Os resultados mostraram que o uso do descritor logSp em substituição aos descritores convencionais conduziu à obtenção de modelos simples com qualidades estatísticas e poder de predição superiores a de outros modelos mais complexos encontrados na literatura.