Submitted by Irene Nascimento (irene.kessia@ufpe.br) on 2017-07-14T19:24:36Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Dissertação lucas pereira 20.01.16 14h.pdf: 3030489 bytes, checksum: d08690f65be6ab72afc4f01820c878d4 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-07-14T19:24:36Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 811 bytes, checksum: e39d27027a6cc9cb039ad269a5db8e34 (MD5) Dissertação lucas pereira 20.01.16 14h.pdf: 3030489 bytes, checksum: d08690f65be6ab72afc4f01820c878d4 (MD5) Previous issue date: 2014-08-03 / Capes / Em estudos prévios, realizados por Almeida, foram obtidas substâncias 2-isoxazolinas aza-biciclicas, que deram origem a núcleos como o 2-isoxazolina[5,4-b]piperidina e 2- isoxazolina[5,4-b]pirrolidina. Amidas N benzoiladas derivadas dessas substâncias apresentaram-se farmacologicamente ativas, principalmente em testes anti-inflamatório e antimicrobianos realizados com esses compostos. Além disso, várias substâncias contendo a função oxima, em sua forma livre e como éteres de oxima, são descritas na literatura, apresentando atividades biológicas antimicrobianas. Diante disso, foi obtido através da hibridização molecular, derivados 2-isoxazolínicos aza-biciclico contendo a função oxima em sua estrutura. Os ésteres isoxazolínicos 34 e 36 foram obtidos através de reações de cicloadição 1,3-dipolar por duas diferentes rotas sintéticas, pela reação do óxido de nitrila 41 (CEFNO) tanto com o enecarbamato cbz, quanto com as enamidas endocíclicas para-substituídas. Os cicloadutos oriundos do enecarbamato endocíclico, sofreram reações de hidrogenólise e posterior N-benzoilação. A porção éster, presente nos compostos N-benzoilados para-substituídos, foi reduzida a álcool e em seguida submetida a uma oxidação de Swern, resultando nos aldeídos isoxazolínicos. A partir desses aldeídos 38, através de uma reação com hidroxilamina, chegou-se nas oximas isoxazolínicas 39. Os novos derivados foram submetidos a testes biológicos com o intuito de avaliar sua atividade antimicrobiana. O teste foi realizado pelo método de difusão em disco, contendo bactérias Gram negativas e Gram positivas, onde os derivados isoxzolínicos apresentaram halos variados frente aos microrganismos em estudo. O composto 39b caracterizou-se como uma substância promissora no desenvolvimento de novos agentes antimicrobianos, com halos de 10 mm para o Staphylococcus aureus, 11 mm para o Micrococcus luteus, 13 mm Bacillus subtilis e 13 mm para o microrganismo Micobacterium smegmatis. / In previous studies conducted by Almeida substances were obtained isoxazolines 2-azabicyclic, giving rise to nuclei as 2-isoxazoline [5,4-b] piperidine and 2-isoxazoline [5,4-b] pyrrolidine. N benzoiladas amides derived from these substances had become pharmacologically active, especially in anti-inflammatory and antimicrobial tests conducted with these compounds. Furthermore, substances containing various oxime function, in free form and as oxime ethers are described in literature, showing microbial biological activities. Thus, was obtained by molecular hybridization, derivatives aza-bicyclic 2-isoxazolínicos containing the oxime function in its structure. Esters isoxazolínicos 34 and 36 were obtained by cycloaddition 1,3-dipolar cycloaddition reactions of two different synthetic routes, by reaction of the nitrile oxide 41 (CEFNO) with both the cbz enecarbamate, as with the endocyclic enamides para-substituted. Cicloadutos coming from the endocyclic enecarbamate suffered reactions of hydrogenolysis and subsequent N-benzoylation. The ester moiety present in the N-substituted compounds for benzoilados was reduced to alcohol, and then subjected to a Swern oxidation, resulting in isoxazolínicos aldehydes. From these aldehydes 38 by means of a reaction with hydroxylamine, was reached in isoxazolínicas oximes 39. The novel derivatives were subjected to biological tests in order to evaluate its antimicrobial activity. The test was performed using the disk diffusion method, comprising Gram negative and Gram positive where isoxzolínicos halo derivatives showed varied across the microorganisms under study. Compound 39b was characterized as a promising substance in the development of new antimicrobial agents with halos of 10 mm for Staphylococcus aureus, 11 to Micrococcus luteus mm, 13 mm and 13 mm Bacillus subtilis microorganism Mycobacterium smegmatis for.

Com o crescente clamor da sociedade por tecnologias mais benignas ao ambiente, as reações de síntese orgânica devem se guiar por práticas mais sustentáveis. Nesse campo, o conceito da Green Chemistry e seus doze princípios são um norte para o desenvolvimento de novas rotas. Neste estudo, tem-se buscado a redução ou eliminação do uso de solventes e a adaptação dos sistemas de reação para operação em temperatura ambiente. O objetivo principal consiste da preparação de compostos nitrogenados com potencial aplicação como intermediários de fármacos, através de processos de redução, oxidação e cicloadição. Na primeira etapa, aldeídos aromáticos (benzaldeído, 4-anisaldeído, furfural, acetato de vanilina e vanilina) e aminas primárias (anilina, benzilamina e furfurilamina) foram combinados de maneiras diferentes, à temperatura ambiente, para originar nove iminas distintas. Na segunda etapa, as iminas foram reduzidas às aminas secundárias correspondentes com NaBH4 ativado por B(OH)3, em condições preferencialmente livres de solvente. Na etapa seguinte, nitronas foram preparadas por oxidação das aminas secundárias com H2O2 na presença de Na2WO4.2H2O como catalisador. Por fim, sete das nitronas geradas nesse processo foram tratadas com compostos vinílicos, notadamente o n-butil vinil éter, a N-vinil caprolactama, e a quinidina, visando à formação de isoxazolidinas por cicloadição 1,3-dipolar. / With the growing clamor of the society for technologies more benign to the environment, the reactions of organic synthesis should be guided by more sustainable practices. In this field, the concept of Green Chemistry and their twelve principles guide the development of new routes. In this study, we have sought to reduce or eliminate the use of solvents, and the adaptation of reactive systems for operation at room temperature. The main goal consists of preparing nitrogen compounds with potential use as pharmacon intermediates, through processes of reduction, oxidation and cycloaddition. In the first stage, aromatic aldehydes (benzaldehyde, furfural, 4-anisaldehyde, vanillin acetate and vanillin) and primary amines (aniline, benzylamine and furfurylamine) were combined in different ways, at room temperature, to create nine different imines. In the second stage, the imines were reduced to the corresponding secondary amines with NaBH4, with activation by B(OH)3, in rather solvent-free conditions. In the next step, nitrones were prepared by oxidation of the secondary amines with H2O2 in the presence of Na2WO4.2H2O as catalyst. Finally, seven nitrones were treated with vinyl compounds, especially n-butyl vinyl ether, N-vinyl caprolactam, and quinidine, for the formation of isoxazolidines by 1,3-dipolar cycloaddition.

Com o crescente clamor da sociedade por tecnologias mais benignas ao ambiente, as reações de síntese orgânica devem se guiar por práticas mais sustentáveis. Nesse campo, o conceito da Green Chemistry e seus doze princípios são um norte para o desenvolvimento de novas rotas. Neste estudo, tem-se buscado a redução ou eliminação do uso de solventes e a adaptação dos sistemas de reação para operação em temperatura ambiente. O objetivo principal consiste da preparação de compostos nitrogenados com potencial aplicação como intermediários de fármacos, através de processos de redução, oxidação e cicloadição. Na primeira etapa, aldeídos aromáticos (benzaldeído, 4-anisaldeído, furfural, acetato de vanilina e vanilina) e aminas primárias (anilina, benzilamina e furfurilamina) foram combinados de maneiras diferentes, à temperatura ambiente, para originar nove iminas distintas. Na segunda etapa, as iminas foram reduzidas às aminas secundárias correspondentes com NaBH4 ativado por B(OH)3, em condições preferencialmente livres de solvente. Na etapa seguinte, nitronas foram preparadas por oxidação das aminas secundárias com H2O2 na presença de Na2WO4.2H2O como catalisador. Por fim, sete das nitronas geradas nesse processo foram tratadas com compostos vinílicos, notadamente o n-butil vinil éter, a N-vinil caprolactama, e a quinidina, visando à formação de isoxazolidinas por cicloadição 1,3-dipolar. / With the growing clamor of the society for technologies more benign to the environment, the reactions of organic synthesis should be guided by more sustainable practices. In this field, the concept of Green Chemistry and their twelve principles guide the development of new routes. In this study, we have sought to reduce or eliminate the use of solvents, and the adaptation of reactive systems for operation at room temperature. The main goal consists of preparing nitrogen compounds with potential use as pharmacon intermediates, through processes of reduction, oxidation and cycloaddition. In the first stage, aromatic aldehydes (benzaldehyde, furfural, 4-anisaldehyde, vanillin acetate and vanillin) and primary amines (aniline, benzylamine and furfurylamine) were combined in different ways, at room temperature, to create nine different imines. In the second stage, the imines were reduced to the corresponding secondary amines with NaBH4, with activation by B(OH)3, in rather solvent-free conditions. In the next step, nitrones were prepared by oxidation of the secondary amines with H2O2 in the presence of Na2WO4.2H2O as catalyst. Finally, seven nitrones were treated with vinyl compounds, especially n-butyl vinyl ether, N-vinyl caprolactam, and quinidine, for the formation of isoxazolidines by 1,3-dipolar cycloaddition.

A constante emissão de CO2 na atmosfera devido a fontes antropogênica despertou uma preocupação crescente em função da sua atuação no efeito estufa. Um número crescente de metodologias para redução da concentração deste gás na atmosfera vem sendo proposta e uma alternativa atrativa é a da inserção do CO2 em anéis epóxidos para formação de carbonatos cíclicos. Apesar de já existirem inúmeros trabalhos a respeito destas reações, o mecanismo pelo qual elas ocorrem não está completamente esclarecido. Neste trabalho é apresentado o estudo mecanístico da cicloadição de CO2 em diferentes epóxidos catalisada por líquidos iônicos haletos de alquil-imidazólios, CnMIm X (n = 1, 2, 3, 4 e X = Cl, Br, I), através da Teoria do Funcional da Densidade empregando-se o funcional !B97X-D e o conjunto de base 6-31G(d,p) e LanL2DZ (somente para o I). Propuseram-se duas rotas distintas para o mecanismo, uma composta por três etapas e outra composta por somente duas etapas. Ambas as rotas tiveram a primeira etapa como sendo a mais energética e correspondendo à abertura do anel epóxido e mostraram ser competitivas entre si energeticamente. Esta etapa mostrou depender de ambos cátion e ânion do catalisador para ocorrer, onde uma ligação de hidrogênio não clássica com o H2 do imidazólio aparece no estado de transição. Verificou-se que no geral a energia de ativação da reação diminui com o aumento da cadeia alquílica do cátion imidazólio assim como diminui com o aumento do caráter nucleofílico do haleto (Cl > Br > I). O substituinte do anel epóxido também exerce influência sobre a energia de ativação da reação, porém não há uma tendência bem definida. Constatou-se que o sítio mais favorável para ataque nucleofílico é o carbono não substituído do anel epóxido tanto pela diferença de energia quanto por análise de índices de reatividade de Fukui e de interações não covalentes. Uma análise de 14 funcionais da densidade e do método perturbativo de segunda ordem MP2 em comparação ao método composto G4MP2 revelaram a forte dependência das energias de ativação com o método empregado. Através de cálculos de dinâmica molecular clássica foi possível estudar dinamicamente o sistema brometo de 1-butil-3-metil imidazólio, o óxido de estireno e o CO2 e notou-se a formação de duas fases com a presença de uma interface. Adicionalmente, observou-se que a probabilidade da reação ocorrer no bulk do líquido iônico é maior, pois a proporção catalisador/substrato é maior nesta região. Por meio da dinâmica molecular de Born-Oppenheimer constatou-se que o anel epóxido também pode ser ativado através de interações com os hidrogênios H4 e H5 do anel imidazólio. / The constant emission of CO2 into the atmosphere due to anthropogenic sources has generated a growing concern regarding the greenhouse effect. Many methodologies to reduce the atmospheric CO2 concentration have been proposed and an alternative is the insertion of CO2 into epoxides to form cyclic carbonates. Although there are a lot of studies in this area, the reaction mechanism by which they occur is still unclear. In this work the cycloaddition mechanism of CO2 into different epoxides catalyzed by alkyl-imidazolium halide ionic liquids, CnMIm X (n = 1, 2, 3, 4 e X = Cl, Br, I), is presented. Density Functional Theory in conjunction with the functional !B97X-D and 6-31G(d,p) and LanL2DZ (for I atoms) basis sets were employed. Two distinct routes were proposed for the mechanism: one composed of three steps and another composed by only two steps. Both routes showed that the first step regarding the epoxide ring opening is the determined one and they are energetically competitive with each other. This step depends on both cation and anion from the catalyst to proceed through a non-classical hydrogen bond in the transition state. It was found that the activation energy decreases with the chain length of the alkyl group from the imidazolium ring as well as with the nucleophilic character of the halide (Cl > Br > I). The epoxide ring substituent also exerts influence on the activation energy of this reaction, but there is no well defined behaviour. The most favourable site for nucleophilic attack is the non-substituted epoxide ring carbon as was shown by the reaction energy difference and through reactive Fukui index and non-covalent interaction (NCI) analysis. 14 exchange-correlation density functionals were investigated and compared to the well established second order perturbation theory (MP2) method and G4MP2 composite method. One found out that the activation energies strongly depends on the chosen method. Through classical molecular dynamics it was possible to study the system 1-butyl-3-methyl-imidazolium bromide together with styrene oxide and CO2 e the formation of two phases with the presence of an interface was observed. Additionally, it was shown that the probability of the reaction to occur in the ionic liquid bulk is bigger because the catalyst/substrate proportion is bigger in this region. Born-Oppenheimer molecular dynamics was used to prove that the H4 and H5 hydrogen atoms from the imidazolium ring may interact with the oxygen atom from the epoxide and activate the C–O bond for the reaction to proceed.

As reações de cicloadição 1,3-dipolar são uma poderosa ferramenta para a síntese de uma variedade de anéis heterocíclicos de cinco membros. A cicloadição de óxidos de nitrila à olefinas, em particular, é de considerável interesse para a obtenção de isoxazolinas, que são intermediários versáteis na síntese de produtos naturais e de materiais com potencial aplicação como cristais líquidos. A Teoria do Funcional da Densidade foi utilizada para estudar o mecanismo da reação cicloadição [3+2] 1,3-dipolar que ocorre, inicialmente, entre o óxido de benzonitrila e o ácido vinilacético. Para tal, foram empregados os funcionais PBE1PBE, B3LYP e CAM-B3LYP, no nível 6-311+G(2d,p). O efeito do solvente foi avaliado através dos modelos PCM e CPCM, com os solventes THF, acetonitrila e formamida. A análise dos Orbitais Moleculares de Fronteira e do recente modelo da distorção e interação do estado de transição (TS), foram utilizadas para explicar a regioquímica dos produtos obtidos e a formação do bisaduto 2:1, originário de duas sucessivas cicloadições envolvendo o óxido de benzonitrila. Na primeira etapa da reação, os cálculos evidenciaram a formação do produto 3,5-dissubstiuído. Embora existam diferenças quantitativas nas barreiras de ativação e reação calculadas com os três diferentes funcionais, a previsão dos produtos majoritários e estados de transição mais favoráveis é a mesma, independentemente do funcional utilizado. Contudo, a conformação dos estados de transição e dos produtos intermediário e final da reação sofre uma pequena alteração com a inclusão do efeito do solvente. A energia de ativação nas duas cicloadições aumenta com o incremento da polaridade do solvente, porém, a possibilidade de formação de uma ligação de hidrogênio no estado de transição é responsável por uma diminuição na energia total de ativação. Esse resultado está diretamente vinculado à polaridade do TS. Quando comparados os resultados obtidos com os dois modelos de solvente, observou-se que ΔE≠ e ΔEreação são essencialmente as mesmas, embora as energias eletrônicas calculadas com CPCM sejam levemente inferiores às calculadas com PCM. / The 1,3-dipolar cycloaddition reactions are a powerful tool for synthesizing a wide range of 5-membered heterocyclic rings. Particularly, the cycloaddition of nitrile oxides to olefins is considerably interesting to obtain isoxazolines, which are versatile intermediaries in the synthesis of natural products and materials with potential application such as liquid crystals. The Density Functional Theory has been used to study the [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction mechanism that initially occurs between benzonitrile oxide and vinylacetic acid. To do that, PBE1PBE, B3LYP and CAM-B3LYP functionals have been used at level 6- 311+G(2d,p). The solvent effect was evaluated through the PCM and CPCM models, with the THF, acetonitrile and formamide solvents. The analysis of the Frontier Molecular Orbitals and of the recent distortion and interaction model of transition state (TS) have been used to explain the regiochemistry of the products obtained and the formation of the bisadduct 2:1, which is originated from two successive cycloadditions involving benzonitrile oxide. In the first reaction step, the calculations showed the formation of the 3,5-dissubstituted product. Although there are quantitative differences in the activation and reaction barriers calculated with the three different functionals, the forecasting of more favorable majoritary products and transition states is the same, no matter the functional used. However, the conformation of the transition states and of the final and intermediary products of the reaction is slightly changed by the inclusion of the solvent effect. The activation energy of both cycloadditions increases with the polarity increment of the solvent, but the possibility of formation of a hydrogen bond in the transition state is responsible for a reduction of the total activation energy. That result is directly linked to the TS polarity. When we compare the results obtained with the two solvent models, we observe that ΔE≠ and ΔEreaction are essentially the same, although the electronic energies calculated with CPCM are slightly smaller than the ones calculated with PCM.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / The present dissertation describes a chemical methodology for the synthesis of three series containing fourteen new molecules of trifluoro(chloro)methyl substituted 1H-1,2,3-triazoles, which are structural analogues to the antiepileptic drug Rufinamide. The protocol used consisted in reactions of 1,3-dipolar cycloaddition of 2,6-difluorobenzyl azide and 4-alkoxy-4-alkyl(aryl/heteroaryl)-1,1,1-trifluoro(chloro)-3-alken-2-ones, where the 4-substituents are H, Me, Ph, 4-OMeC6H4, 4-NO2C6H4,4-FC6H4,2-Thienyle 4,4 -Biphenyl. The optimized reactios were carried-out in absense of solvente, in reaction times of 48 to 96 hours at 100-150°C and in yields of 30-75%. The reactions employing the 4-alkoxy-4-aryl(heteroaryl)-1,1,1-trifluoro-3-alken-2-ones 1and 2,6-difluorobenzyl azidedemonstrated a 4-substituent dependency of the enones precursors (above mentioned) and conducted to the formation of isomeric mixtures of 4-trifluoroacetyl substituted and/or 5-trifluoromethyl substituted triazoles in varying proportions, which were separated and purified by chromatographic columns. On the other hand, the reactions employing the 4-alkoxy-4-alkyl(aryl/heteroaryl)-1,1,1-trichloro-3-alken-2-ones and the same 2,6-difluorobenzyl azide produced exclusively a series of 4- trichloroacetyl substituted triazoles without the detection of the respective 5-trichloromethyl substituted regioisomer. The synthesized triazoles were characterized by 1H, 13C, uni- and two-dimensional NMR Spectroscopy techniques as HMQC, gas chromatography coupled to mass spectrometry (GC-MS), mono-crystal X-ray diffraction, high resolution mass spectrometry (HRMS) and their purity determined by CHN Elemental Analysis. / A presente dissertação descreve uma metodologia química para a síntese de três séries de 1H-1,2,3-triazóis trifluor(cloro)metil substituídos, totalizando quatorze moléculas inéditas, as quais são análogas estruturais do fármaco antiepiléptico Rufinamida. O protocolo consistiu na realização de reações de cicloadição 1,3-dipolares envolvendo 2,6-difluorbenzil azida e 4-alcóxi-4-alquil(aril/heteroaril)-1,1,1-trifluor(cloro)-3-alquen-2-onas, sendo os substituintes 4-alquila(arila/heteroarila) iguais a H, Me, Ph, 4-OMeC6H4, 4-NO2C6H4,4-FC6H4,2-Tienila e 4,4 -Bifenila. As reações otimizadas se processaram na ausência de solvente, em tempos reacionais de 48 a 96 horas a 100-150°C e levaram a rendimentos na faixa de 30-75%. As reações que utilizaram 4-alcóxi-4-aril(heteroaril)-1,1,1-triflúor-3-alquen-2-onase 2,6-difluorbenzil azida apresentaram uma dependência quanto a substituição da posição 4 das enonas precursoras (acima descritos) e conduziram à formação de misturas isoméricas de triazóis 4-trifluoracetil substituídos e/ou 5-trifluormetil substituídos em proporções variadas, as quais foram passíveis de separação e purificação por cromatografia em coluna. Por outro lado, as reações empregando 4-alcóxi-4-alquil(aril/heteroaril)-1,1,1-tricloro-3-alquen-2-onas e a mesma 2,6-difluorbenzil azida produziram, exclusivamente, uma série de triazóis 4-tricloroacetil substituídos sem a detecção dos respectivos regioisômeros 5-triclorometil substituídos. Os triazóis sintetizados foram caracterizados por espectroscopia de RMN de 1H, 13C por técnicas uni- e bidimensionais (HMQC), cromatografia a gás acoplada à espectrometria de massas (GC-MS), difração de raios-X em mono-cristal, espectrometria de massas de alta resolução (HRMS) e a sua pureza determinada através de análise elementar CHN.

As reações de cicloadição 1,3-dipolar são uma poderosa ferramenta para a síntese de uma variedade de anéis heterocíclicos de cinco membros. A cicloadição de óxidos de nitrila à olefinas, em particular, é de considerável interesse para a obtenção de isoxazolinas, que são intermediários versáteis na síntese de produtos naturais e de materiais com potencial aplicação como cristais líquidos. A Teoria do Funcional da Densidade foi utilizada para estudar o mecanismo da reação cicloadição [3+2] 1,3-dipolar que ocorre, inicialmente, entre o óxido de benzonitrila e o ácido vinilacético. Para tal, foram empregados os funcionais PBE1PBE, B3LYP e CAM-B3LYP, no nível 6-311+G(2d,p). O efeito do solvente foi avaliado através dos modelos PCM e CPCM, com os solventes THF, acetonitrila e formamida. A análise dos Orbitais Moleculares de Fronteira e do recente modelo da distorção e interação do estado de transição (TS), foram utilizadas para explicar a regioquímica dos produtos obtidos e a formação do bisaduto 2:1, originário de duas sucessivas cicloadições envolvendo o óxido de benzonitrila. Na primeira etapa da reação, os cálculos evidenciaram a formação do produto 3,5-dissubstiuído. Embora existam diferenças quantitativas nas barreiras de ativação e reação calculadas com os três diferentes funcionais, a previsão dos produtos majoritários e estados de transição mais favoráveis é a mesma, independentemente do funcional utilizado. Contudo, a conformação dos estados de transição e dos produtos intermediário e final da reação sofre uma pequena alteração com a inclusão do efeito do solvente. A energia de ativação nas duas cicloadições aumenta com o incremento da polaridade do solvente, porém, a possibilidade de formação de uma ligação de hidrogênio no estado de transição é responsável por uma diminuição na energia total de ativação. Esse resultado está diretamente vinculado à polaridade do TS. Quando comparados os resultados obtidos com os dois modelos de solvente, observou-se que ΔE≠ e ΔEreação são essencialmente as mesmas, embora as energias eletrônicas calculadas com CPCM sejam levemente inferiores às calculadas com PCM. / The 1,3-dipolar cycloaddition reactions are a powerful tool for synthesizing a wide range of 5-membered heterocyclic rings. Particularly, the cycloaddition of nitrile oxides to olefins is considerably interesting to obtain isoxazolines, which are versatile intermediaries in the synthesis of natural products and materials with potential application such as liquid crystals. The Density Functional Theory has been used to study the [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction mechanism that initially occurs between benzonitrile oxide and vinylacetic acid. To do that, PBE1PBE, B3LYP and CAM-B3LYP functionals have been used at level 6- 311+G(2d,p). The solvent effect was evaluated through the PCM and CPCM models, with the THF, acetonitrile and formamide solvents. The analysis of the Frontier Molecular Orbitals and of the recent distortion and interaction model of transition state (TS) have been used to explain the regiochemistry of the products obtained and the formation of the bisadduct 2:1, which is originated from two successive cycloadditions involving benzonitrile oxide. In the first reaction step, the calculations showed the formation of the 3,5-dissubstituted product. Although there are quantitative differences in the activation and reaction barriers calculated with the three different functionals, the forecasting of more favorable majoritary products and transition states is the same, no matter the functional used. However, the conformation of the transition states and of the final and intermediary products of the reaction is slightly changed by the inclusion of the solvent effect. The activation energy of both cycloadditions increases with the polarity increment of the solvent, but the possibility of formation of a hydrogen bond in the transition state is responsible for a reduction of the total activation energy. That result is directly linked to the TS polarity. When we compare the results obtained with the two solvent models, we observe that ΔE≠ and ΔEreaction are essentially the same, although the electronic energies calculated with CPCM are slightly smaller than the ones calculated with PCM.

A constante emissão de CO2 na atmosfera devido a fontes antropogênica despertou uma preocupação crescente em função da sua atuação no efeito estufa. Um número crescente de metodologias para redução da concentração deste gás na atmosfera vem sendo proposta e uma alternativa atrativa é a da inserção do CO2 em anéis epóxidos para formação de carbonatos cíclicos. Apesar de já existirem inúmeros trabalhos a respeito destas reações, o mecanismo pelo qual elas ocorrem não está completamente esclarecido. Neste trabalho é apresentado o estudo mecanístico da cicloadição de CO2 em diferentes epóxidos catalisada por líquidos iônicos haletos de alquil-imidazólios, CnMIm X (n = 1, 2, 3, 4 e X = Cl, Br, I), através da Teoria do Funcional da Densidade empregando-se o funcional !B97X-D e o conjunto de base 6-31G(d,p) e LanL2DZ (somente para o I). Propuseram-se duas rotas distintas para o mecanismo, uma composta por três etapas e outra composta por somente duas etapas. Ambas as rotas tiveram a primeira etapa como sendo a mais energética e correspondendo à abertura do anel epóxido e mostraram ser competitivas entre si energeticamente. Esta etapa mostrou depender de ambos cátion e ânion do catalisador para ocorrer, onde uma ligação de hidrogênio não clássica com o H2 do imidazólio aparece no estado de transição. Verificou-se que no geral a energia de ativação da reação diminui com o aumento da cadeia alquílica do cátion imidazólio assim como diminui com o aumento do caráter nucleofílico do haleto (Cl > Br > I). O substituinte do anel epóxido também exerce influência sobre a energia de ativação da reação, porém não há uma tendência bem definida. Constatou-se que o sítio mais favorável para ataque nucleofílico é o carbono não substituído do anel epóxido tanto pela diferença de energia quanto por análise de índices de reatividade de Fukui e de interações não covalentes. Uma análise de 14 funcionais da densidade e do método perturbativo de segunda ordem MP2 em comparação ao método composto G4MP2 revelaram a forte dependência das energias de ativação com o método empregado. Através de cálculos de dinâmica molecular clássica foi possível estudar dinamicamente o sistema brometo de 1-butil-3-metil imidazólio, o óxido de estireno e o CO2 e notou-se a formação de duas fases com a presença de uma interface. Adicionalmente, observou-se que a probabilidade da reação ocorrer no bulk do líquido iônico é maior, pois a proporção catalisador/substrato é maior nesta região. Por meio da dinâmica molecular de Born-Oppenheimer constatou-se que o anel epóxido também pode ser ativado através de interações com os hidrogênios H4 e H5 do anel imidazólio. / The constant emission of CO2 into the atmosphere due to anthropogenic sources has generated a growing concern regarding the greenhouse effect. Many methodologies to reduce the atmospheric CO2 concentration have been proposed and an alternative is the insertion of CO2 into epoxides to form cyclic carbonates. Although there are a lot of studies in this area, the reaction mechanism by which they occur is still unclear. In this work the cycloaddition mechanism of CO2 into different epoxides catalyzed by alkyl-imidazolium halide ionic liquids, CnMIm X (n = 1, 2, 3, 4 e X = Cl, Br, I), is presented. Density Functional Theory in conjunction with the functional !B97X-D and 6-31G(d,p) and LanL2DZ (for I atoms) basis sets were employed. Two distinct routes were proposed for the mechanism: one composed of three steps and another composed by only two steps. Both routes showed that the first step regarding the epoxide ring opening is the determined one and they are energetically competitive with each other. This step depends on both cation and anion from the catalyst to proceed through a non-classical hydrogen bond in the transition state. It was found that the activation energy decreases with the chain length of the alkyl group from the imidazolium ring as well as with the nucleophilic character of the halide (Cl > Br > I). The epoxide ring substituent also exerts influence on the activation energy of this reaction, but there is no well defined behaviour. The most favourable site for nucleophilic attack is the non-substituted epoxide ring carbon as was shown by the reaction energy difference and through reactive Fukui index and non-covalent interaction (NCI) analysis. 14 exchange-correlation density functionals were investigated and compared to the well established second order perturbation theory (MP2) method and G4MP2 composite method. One found out that the activation energies strongly depends on the chosen method. Through classical molecular dynamics it was possible to study the system 1-butyl-3-methyl-imidazolium bromide together with styrene oxide and CO2 e the formation of two phases with the presence of an interface was observed. Additionally, it was shown that the probability of the reaction to occur in the ionic liquid bulk is bigger because the catalyst/substrate proportion is bigger in this region. Born-Oppenheimer molecular dynamics was used to prove that the H4 and H5 hydrogen atoms from the imidazolium ring may interact with the oxygen atom from the epoxide and activate the C–O bond for the reaction to proceed.

A constante emissão de CO2 na atmosfera devido a fontes antropogênica despertou uma preocupação crescente em função da sua atuação no efeito estufa. Um número crescente de metodologias para redução da concentração deste gás na atmosfera vem sendo proposta e uma alternativa atrativa é a da inserção do CO2 em anéis epóxidos para formação de carbonatos cíclicos. Apesar de já existirem inúmeros trabalhos a respeito destas reações, o mecanismo pelo qual elas ocorrem não está completamente esclarecido. Neste trabalho é apresentado o estudo mecanístico da cicloadição de CO2 em diferentes epóxidos catalisada por líquidos iônicos haletos de alquil-imidazólios, CnMIm X (n = 1, 2, 3, 4 e X = Cl, Br, I), através da Teoria do Funcional da Densidade empregando-se o funcional !B97X-D e o conjunto de base 6-31G(d,p) e LanL2DZ (somente para o I). Propuseram-se duas rotas distintas para o mecanismo, uma composta por três etapas e outra composta por somente duas etapas. Ambas as rotas tiveram a primeira etapa como sendo a mais energética e correspondendo à abertura do anel epóxido e mostraram ser competitivas entre si energeticamente. Esta etapa mostrou depender de ambos cátion e ânion do catalisador para ocorrer, onde uma ligação de hidrogênio não clássica com o H2 do imidazólio aparece no estado de transição. Verificou-se que no geral a energia de ativação da reação diminui com o aumento da cadeia alquílica do cátion imidazólio assim como diminui com o aumento do caráter nucleofílico do haleto (Cl > Br > I). O substituinte do anel epóxido também exerce influência sobre a energia de ativação da reação, porém não há uma tendência bem definida. Constatou-se que o sítio mais favorável para ataque nucleofílico é o carbono não substituído do anel epóxido tanto pela diferença de energia quanto por análise de índices de reatividade de Fukui e de interações não covalentes. Uma análise de 14 funcionais da densidade e do método perturbativo de segunda ordem MP2 em comparação ao método composto G4MP2 revelaram a forte dependência das energias de ativação com o método empregado. Através de cálculos de dinâmica molecular clássica foi possível estudar dinamicamente o sistema brometo de 1-butil-3-metil imidazólio, o óxido de estireno e o CO2 e notou-se a formação de duas fases com a presença de uma interface. Adicionalmente, observou-se que a probabilidade da reação ocorrer no bulk do líquido iônico é maior, pois a proporção catalisador/substrato é maior nesta região. Por meio da dinâmica molecular de Born-Oppenheimer constatou-se que o anel epóxido também pode ser ativado através de interações com os hidrogênios H4 e H5 do anel imidazólio. / The constant emission of CO2 into the atmosphere due to anthropogenic sources has generated a growing concern regarding the greenhouse effect. Many methodologies to reduce the atmospheric CO2 concentration have been proposed and an alternative is the insertion of CO2 into epoxides to form cyclic carbonates. Although there are a lot of studies in this area, the reaction mechanism by which they occur is still unclear. In this work the cycloaddition mechanism of CO2 into different epoxides catalyzed by alkyl-imidazolium halide ionic liquids, CnMIm X (n = 1, 2, 3, 4 e X = Cl, Br, I), is presented. Density Functional Theory in conjunction with the functional !B97X-D and 6-31G(d,p) and LanL2DZ (for I atoms) basis sets were employed. Two distinct routes were proposed for the mechanism: one composed of three steps and another composed by only two steps. Both routes showed that the first step regarding the epoxide ring opening is the determined one and they are energetically competitive with each other. This step depends on both cation and anion from the catalyst to proceed through a non-classical hydrogen bond in the transition state. It was found that the activation energy decreases with the chain length of the alkyl group from the imidazolium ring as well as with the nucleophilic character of the halide (Cl > Br > I). The epoxide ring substituent also exerts influence on the activation energy of this reaction, but there is no well defined behaviour. The most favourable site for nucleophilic attack is the non-substituted epoxide ring carbon as was shown by the reaction energy difference and through reactive Fukui index and non-covalent interaction (NCI) analysis. 14 exchange-correlation density functionals were investigated and compared to the well established second order perturbation theory (MP2) method and G4MP2 composite method. One found out that the activation energies strongly depends on the chosen method. Through classical molecular dynamics it was possible to study the system 1-butyl-3-methyl-imidazolium bromide together with styrene oxide and CO2 e the formation of two phases with the presence of an interface was observed. Additionally, it was shown that the probability of the reaction to occur in the ionic liquid bulk is bigger because the catalyst/substrate proportion is bigger in this region. Born-Oppenheimer molecular dynamics was used to prove that the H4 and H5 hydrogen atoms from the imidazolium ring may interact with the oxygen atom from the epoxide and activate the C–O bond for the reaction to proceed.

As reações de cicloadição 1,3-dipolar são uma poderosa ferramenta para a síntese de uma variedade de anéis heterocíclicos de cinco membros. A cicloadição de óxidos de nitrila à olefinas, em particular, é de considerável interesse para a obtenção de isoxazolinas, que são intermediários versáteis na síntese de produtos naturais e de materiais com potencial aplicação como cristais líquidos. A Teoria do Funcional da Densidade foi utilizada para estudar o mecanismo da reação cicloadição [3+2] 1,3-dipolar que ocorre, inicialmente, entre o óxido de benzonitrila e o ácido vinilacético. Para tal, foram empregados os funcionais PBE1PBE, B3LYP e CAM-B3LYP, no nível 6-311+G(2d,p). O efeito do solvente foi avaliado através dos modelos PCM e CPCM, com os solventes THF, acetonitrila e formamida. A análise dos Orbitais Moleculares de Fronteira e do recente modelo da distorção e interação do estado de transição (TS), foram utilizadas para explicar a regioquímica dos produtos obtidos e a formação do bisaduto 2:1, originário de duas sucessivas cicloadições envolvendo o óxido de benzonitrila. Na primeira etapa da reação, os cálculos evidenciaram a formação do produto 3,5-dissubstiuído. Embora existam diferenças quantitativas nas barreiras de ativação e reação calculadas com os três diferentes funcionais, a previsão dos produtos majoritários e estados de transição mais favoráveis é a mesma, independentemente do funcional utilizado. Contudo, a conformação dos estados de transição e dos produtos intermediário e final da reação sofre uma pequena alteração com a inclusão do efeito do solvente. A energia de ativação nas duas cicloadições aumenta com o incremento da polaridade do solvente, porém, a possibilidade de formação de uma ligação de hidrogênio no estado de transição é responsável por uma diminuição na energia total de ativação. Esse resultado está diretamente vinculado à polaridade do TS. Quando comparados os resultados obtidos com os dois modelos de solvente, observou-se que ΔE≠ e ΔEreação são essencialmente as mesmas, embora as energias eletrônicas calculadas com CPCM sejam levemente inferiores às calculadas com PCM. / The 1,3-dipolar cycloaddition reactions are a powerful tool for synthesizing a wide range of 5-membered heterocyclic rings. Particularly, the cycloaddition of nitrile oxides to olefins is considerably interesting to obtain isoxazolines, which are versatile intermediaries in the synthesis of natural products and materials with potential application such as liquid crystals. The Density Functional Theory has been used to study the [3+2] 1,3-dipolar cycloaddition reaction mechanism that initially occurs between benzonitrile oxide and vinylacetic acid. To do that, PBE1PBE, B3LYP and CAM-B3LYP functionals have been used at level 6- 311+G(2d,p). The solvent effect was evaluated through the PCM and CPCM models, with the THF, acetonitrile and formamide solvents. The analysis of the Frontier Molecular Orbitals and of the recent distortion and interaction model of transition state (TS) have been used to explain the regiochemistry of the products obtained and the formation of the bisadduct 2:1, which is originated from two successive cycloadditions involving benzonitrile oxide. In the first reaction step, the calculations showed the formation of the 3,5-dissubstituted product. Although there are quantitative differences in the activation and reaction barriers calculated with the three different functionals, the forecasting of more favorable majoritary products and transition states is the same, no matter the functional used. However, the conformation of the transition states and of the final and intermediary products of the reaction is slightly changed by the inclusion of the solvent effect. The activation energy of both cycloadditions increases with the polarity increment of the solvent, but the possibility of formation of a hydrogen bond in the transition state is responsible for a reduction of the total activation energy. That result is directly linked to the TS polarity. When we compare the results obtained with the two solvent models, we observe that ΔE≠ and ΔEreaction are essentially the same, although the electronic energies calculated with CPCM are slightly smaller than the ones calculated with PCM.