Avaliação da oxidação da Lignina do pseudocaule da bananeira catalisada por Co3O4: uma investigação experimental e teórica das propriedades da ligação BO4 com abordagem DFT, QTAIM e NCI

dc.contributor.advisorSantos, Luciene da Silva
dc.contributor.advisor-co1Souto, Carlos Roberto Oliveira
dc.contributor.advisor-co1ID28467809949pt_BR
dc.contributor.advisor-co1Latteshttp://lattes.cnpq.br/5481020781565211pt_BR
dc.contributor.authorKramer, Carlos Augusto Cabral
dc.contributor.authorLatteshttp://lattes.cnpq.br/7591795264528020pt_BR
dc.contributor.referees1Albuquerque, Anderson dos Reis
dc.contributor.referees1Latteshttp://lattes.cnpq.br/4983201442276288pt_BR
dc.contributor.referees2Santos, Anne Gabriella Dias
dc.contributor.referees3Fonseca, Saulo Gregory Carneiro
dc.contributor.referees4Silva, Ámison Rick Lopes da
dc.date.accessioned2022-04-19T21:27:03Z
dc.date.available2022-04-19T21:27:03Z
dc.date.issued2021-12-13
dc.description.abstractLignin is a natural macromolecule that, in general, is formed by the aromatic units syringuyl, guiacyl and hydroxyphenyl (S, G and H units, respectively). From its structure it is possible to obtain molecules with high added value, however, the processes come up against the need to break the bond that unites these aromatic units, the βO4 bond, which, in general, requires aggressive conditions at high temperatures and pressures. Focusing on the development of an efficient method for lignin oxidation, but under mild conditions, the oxidation of banana lignin was experimentally studied in the presence of atmospheric oxygen gas and Co3O4 as a heterogeneous catalyst under a temperature of 80°C and ambient pressure. The ideal concentration of the catalyst found was 1% (mol/mol), which after 54 hours of reaction was sufficient for the oxidation of the structure. In the evaluation by computational modeling via DFT (Density Functional Theory) using Kohn-Sham boundary orbitals, it was observed that oxidation abruptly changes the electronic topology, reducing the binding energy in βO4 for all models considered and makes them more reactive. Through QTAIM (Quantum Theory of Atoms in Molecules) and NCI (Non-Covalent Interactions), the main intramolecular interactions and their properties related to βO4 bond were investigated. It was observed that lignins formed by G and S units (with methoxyl linked to the second aromatic unit) have a smaller HOMO-LUMO gap and, therefore, are less stable compared to models that do not have methoxyl (H units). Thus, as they have more repulsive and destabilizing interactions that make the βO4 bond weaker, however, in some specific conformations, hydrogen bonds are formed that have the opposite effect. This allows us to conclude that hardwood-derived lignins are naturally more reactive and have lower βO4 bond dissociation energy, compared to softwood-derived lignins and herbaceous plant biomass. However, all types of lignin become more reactive and weaken the βO4 bond after oxidation. The results achieved in this work contributed to the construction of an understanding at a micro and macroscopic level about the properties of lignin.pt_BR
dc.description.resumoA lignina é uma macromolécula natural que, em geral, é formada pelas unidades aromáticas siringuila (S), guiacila (G) e hidroxifenil (H). A partir de sua estrutura é possível a obtenção de moléculas de alto valor agregado, entretanto, os processos esbarram na necessidade da quebra da ligação que une estas unidades aromáticas, a ligação βO4, que, em geral, exige condições agressivas sob altas temperaturas e pressões. Focando no desenvolvimento de um método eficiente para oxidação da lignina, porém em condições brandas, experimentalmente foi estudada a oxidação da lignina de bananeira, na presença de gás oxigênio atmosférico e Co3O4 como catalisador heterogêneo, sob temperatura de 80°C e pressão ambiente. A concentração ideal do catalisador verificada foi de 1% (mol/mol), que após 54 horas de reação foi suficiente para a oxidação. Na avaliação pela modelagem computacional com uso dos orbitais de fronteira de Kohn-Sham, observou-se que a oxidação altera abruptamente a topologia eletrônica, reduzindo a energia de ligação em βO4 para todos os modelos considerados e os torna mais reativos. Através da Teoria Quântica de Átomos em Moléculas e da análise de Interações Não Covalentes, investigou-se as principais interações intramoleculares e suas propriedades relacionadas a ligação βO4. Foi observado que ligninas formadas por unidade G e S apresentam menor gap HOMO-LUMO e, portanto, são menos estáveis em comparação com os modelos formados por unidades H. Assim, como possuem mais interações de caráter repulsivo e desestabilizador que tornam a ligação βO4 mais fraca, porém, em algumas conformações específicas ligações de hidrogênio são observadas e fazem o efeito inverso. Isto permite concluir que, ligninas derivadas de madeira de lei (hardwood), naturalmente, são mais reativas e possuem menor energia de dissociação da ligação βO4, em comparação às ligninas derivadas de madeira macia (softwood) e de biomassa de plantas herbáceas. Contudo, todos os tipos de lignina se tornam mais reativas e tem a ligação βO4 mais fraca após a oxidação. Os resultados alcançados neste trabalho contribuíram para a construção de um entendimento a nível micro e macroscópio sobre as propriedades da lignina.pt_BR
dc.identifier.citationKRAMER, Carlos Augusto Cabral. Avaliação da oxidação da Lignina do pseudocaule da bananeira catalisada por Co3O4: uma investigação experimental e teórica das propriedades da ligação BO4 com abordagem DFT, QTAIM e NCI. 2021. 175f. Tese (Doutorado em Química) - Centro de Ciências Exatas e da Terra, Universidade Federal do Rio Grande do Norte, Natal, 2021.pt_BR
dc.identifier.urihttps://repositorio.ufrn.br/handle/123456789/47001
dc.languagept_BRpt_BR
dc.publisherUniversidade Federal do Rio Grande do Nortept_BR
dc.publisher.countryBrasilpt_BR
dc.publisher.initialsUFRNpt_BR
dc.publisher.programPROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM QUÍMICApt_BR
dc.rightsAcesso Abertopt_BR
dc.subjectQuímica orgânicapt_BR
dc.subjectOxidação da Ligninapt_BR
dc.subjectBananeirapt_BR
dc.subjectEspinélio de Cobaltopt_BR
dc.subjectPropriedades estruturaispt_BR
dc.subjectDFT, NCI e QTAIMpt_BR
dc.subjectModelagem computacionalpt_BR
dc.titleAvaliação da oxidação da Lignina do pseudocaule da bananeira catalisada por Co3O4: uma investigação experimental e teórica das propriedades da ligação BO4 com abordagem DFT, QTAIM e NCIpt_BR
dc.typedoctoralThesispt_BR

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