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Tese de Doutorado
DOI
https://doi.org/10.11606/T.75.2022.tde-24032022-141524
Documento
Autor
Nome completo
Lucyano Jefferson Alves de Macêdo
E-mail
Unidade da USP
Área do Conhecimento
Data de Defesa
Imprenta
São Carlos, 2022
Orientador
Banca examinadora
Crespilho, Frank Nelson (Presidente)
Andrade, Adalgisa Rodrigues de
Cardoso, Daniel Rodrigues
Leite, Edson Roberto
Santos, Jacqueline Ferreira Leite
Título em português
Espectroeletroquímica in situ e operando para a resolução de mecanismos catalíticos envolvendo centros redox de metaloenzimas e biomiméticos
Palavras-chave em português
DEMS
espectroeletroquímica
espectroscopia de absorção de raio-X
infravermelho
multi-cobre oxidases
nitrito
Raman
reação de redução de oxigênio
Resumo em português
Enzimas redox (ER) são catalisadores biológicos com estrutura molecular complexa e possuem unidades aceptoras/doadoras de elétrons e/ou íons que conduzem a reações de transferência de carga. Em biologia redox, as reações catalisadas por ER estão associadas à vida, a sua origem, à evolução e à genômica; na indústria, as ER são utilizadas para acelerar as reações de produção de fármacos, bebidas e alimentos; em biotecnologia e medicina, elas são utilizadas em diagnóstico clínico e em biossensores; no campo da energia limpa e sustentável, as ER são empregadas na produção de biocombustíveis, além de servirem como modelos para a síntese de catalisadores biomiméticos de células a combustível e de baterias aquosas atóxicas. Portanto, entender os mecanismos bioeletroquímicos de atuação das ER e as suas propriedades termodinâmicas e cinéticas possibilitam obter moléculas mais simples e biomiméticas, permitindo avançar no estado-da-arte científico e tecnológico. Neste contexto, esta Tese de Doutorado apresenta a proposta de estudar influência dos metais de transição presentes em sítios catalíticos de ER e de catalisadores biomiméticos por meio de técnicas espectroscópicas e espectrométricas acopladas à eletroquímica em modo in situ e operando com o foco nos processos de transferência de elétrons (TE) e os mecanismos envolvidos. Dividiu-se esta Tese em três temáticas. i) Na primeira, apresenta-se um estudo na região do infravermelho distante para as reações redox com o azul da Prússia, ferroceno e ftalocianina de níquel. As reações de TE nesses três compostos foram monitoradas pelas mudanças de absorção de radiação na fração metal-ligante. Superou-se as dificuldades experimentais de se trabalhar em meio aquoso, sendo possível propor, com sucesso, uma configuração inédita para comprovar efeito do estado de oxidação de centro metálicos nos modos vibracionais presentes na primeira esfera de coordenação. ii) Na segunda parte desta Tese, apresenta-se uma nova estratégia instrumental para a espectroeletroquímica Raman e espectrometria de massas eletroquímica diferencial visando observar a importante reação de conversão de íon nitrito a amônia. Propõe-se, aqui, utilizar o catalisador biomimético ftalocianina de ferro em fase aquosa, ou seja, dissolvido no eletrólito. Estrategicamente, esta configuração possibilita a visualização da rota catalítica de forma sem precedentes, com a formação de óxido nítrico, óxido nitroso e hidroxilamina como intermediários, fato esse nunca observado experimentalmente até então. iii) A terceira e última parte da Tese consiste em usar a radiação síncrotron, pela primeira vez, em um estudo bioeletroquímico. Aqui, propõe-se uma configuração de aprisionamento da ER bilirrubina oxidase (BOx) em matrizes mesoporosas de carbono, usadas em bioeletrodos com a espectroscopia de absorção de raio-X (XAS) em modo operando. A reação bioeletrocatalisada de redução do oxigênio molecular à água foi estudada em detalhe, sendo possível propor um novo mecanismo de catálise tridimensional, onde os sítios de cobre (II) presentes na estrutura da BOx participam, etapa-por-etapa, da reação de TE realizando o papel de pontes eletrônicas. Assim, nesta Tese, apresentam-se três maneiras distintas para se utilizar técnicas espectroscópicas e espectrométricas nos modos in situ e operando, contribuindo para área de bioeletroquímica com a visualização de forma direta da ação de sítios com metais de transição. Consequentemente, as estratégias instrumentais aqui apresentadas contribuem para promover a elucidação de mecanismos complexos envolvendo enzimas e compostos biomiméticos.
Título em inglês
In situ and operando spectroelectrochemistry for solving catalytic mechanisms involving redox centers of metalloenzymes and biomimetics
Palavras-chave em inglês
DEMS
infrared
multi-copper oxidases
nitrite
oxygen reduction reaction
Raman
spectroelectrochemistry
X-ray absorption spectroscopy
Resumo em inglês
Redox enzymes are biological catalysts with a complex structure which possess electron donors/acceptors unities and/or ions that lead charge transfer reactions. In redox biology, the reactions catalyzed by redox enzymes are associated to life, its origin, to evolution, and genomics; in industry, redox enzymes are used to accelerate reactions for producing medicines, beverages, and foods; in biotechnology and medicine, they are used in clinical diagnosis and biosensors; in the field of clean and sustainable energy, redox enzymes are employed in the production of biofuels, besides serving as models for the synthesis of biomimetic catalysts for fuel cells and aqueous non-toxic batteries. Therefore, understanding how bioelectrochemical mechanisms work in redox enzymes and their kinetic and thermodynamic properties allow to obtain simpler and biomimetic molecules, granting the advancement of the scientific and technological state-of-the-art. In this sense, this Doctoral Thesis presents a proposal to investigate influence of transition metals present in the catalytic pocket of redox enzymes and also in biomimetic catalysts through in situ and operando spectroscopic and spectrometric techniques coupled to electrochemistry focusing on the electron transfer processes and the mechanisms involved. This Thesis is divided into three parts. In the first, we present a study in the far infrared region for the redox reactions with Prussian blue, ferrocene, and nickel phthalocyanine. The electron transfer reaction with these three compounds was monitored through the changes in the absorption of radiation by the metal- ligand moiety. We have overcome the experimental difficulties in working with aqueous medium, being possible to successfully propose a novel setup to probe the effect of the oxidation state of metallic centers on the vibrational modes of the first coordination sphere. In the second part of this Thesis, we present a new instrumental strategy for Raman spectroelectrochemistry and differential electrochemical mass spectrometry aiming to investigate the important reaction of the conversion of the nitrite ion to ammonia. Here, we propose to utilize the biomimetic catalyst iron phthalocyanine in aqueous phase, that is, dissolved in the electrolyte. Strategically, this configuration allows the observation of an unprecedent catalytic route, with the formation of nitric oxide, nitrous oxide, and hydroxylamine as intermediates, which have never been observed experimentally to this date. The third and last part of this Thesis consists of using synchrotron radiation, for the first time, in a bioelectrochemical study. Here, we propose an entrapment approach for the redox enzyme bilirubin oxidase in a carbon mesoporous matrix, used as bioelectrodes with operando X-ray absorption spectroscopy. The bioelectrocatalyzed oxygen reduction reaction to water was investigated in detail, being possible to propose a new mechanism of tridimensional catalysis, where the copper (II) sites present in the structure of bilirubin oxidase participate, step-by-step, in the electron transfer reaction playing the role of electronic bridges. Therefore, in the Thesis, we present three distinct ways of using in situ and operando spectroscopic and spectrometric techniques, contributing to the area of bioelectrochemistry with the direct visualization of how the centers containing transition metals work. Consequently, the instrumental strategies presented here contribute to promote the elucidation of complex mechanisms involving enzymes and biomimetic compounds.
 
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Data de Publicação
2022-03-25
 
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