A substituição da água por líquidos iônicos (LI) oferece uma alternativa promissora para o desenvolvimento de processos de separação de gases, principalmente devido à significativa demanda energética em processos convencionais que utilizam soluções aquosas de aminas. Esta proposta apresenta-se interessante por aliar as propriedades dos LI à reatividade de aminas perante o CO2. A físico-química que governa as interações entre os íons dos líquidos iônicos é bastante diversa das encontradas em solventes moleculares, sendo que ainda permanecem muitas questões fundamentais acerca destes materiais. A melhor compreensão das interações estabelecidas entre aminas e LI, e dos produtos formados após a reação com CO2, pode contribuir para o desenvolvimento de processos mais eficazes que permitam a substituição da água nos processos convencionais. O presente trabalho teve como objetivo investigar soluções das aminas primárias propilamina (PA), 2-metoxietilamina (MOEN) e monoetanolamina (MEA) em líquidos iônicos imidazólicos com diferentes ânions: 1-butil-3-metilimidazólio tetrafluoroborato (BMIBF4), hexafluorofosfato (BMIPF6), bis-(trifluorometilsulfonil)imida (BMITFSI) e dicianamida (BMIN(CN)2). Para tal, foram utilizadas as espectroscopias Raman e infravermelho (IR), cujos resultados foram suportados por cálculos baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). Os resultados mostram que o modo de estiramento assimétrico do grupo NH2 das aminas, νas(NH2), é o mais adequado para se inferir sobre o grau de agregação das aminas em solventes orgânicos e em LI. No caso das reações das aminas com CO2 nos diferentes LI, o comportamento foi similar à reação com as aminas puras, ou seja, na PA houve cristalização, na MOEN, a formação de um líquido miscível com os LI, e na MEA, a formação de um gel com a subsequente separação de fases. Em particular, no caso da reação entre MEA e CO2 em LI, além da separação de fases, foi observada a diferente solubilidade dos produtos de reação dependendo do LI em questão. Em contraste ao processo convencional que utiliza soluções aquosas de aminas para a captura do CO2, acredita-se que a separação de fases observada em LI seja uma vantagem a ser explorada, já que permitiria um menor gasto energético na recuperação da amina absorvedora, além da recuperação do solvente não volátil / The replacement of water by ionic liquids (IL) offers a promising alternative for the development of gas separation processes, mainly due to the significant energy demand in conventional processes using aqueous solutions of amines. This proposal is exciting because it combines the properties of IL with the reactivity of amines towards CO2. The physical-chemistry that governs the interactions between the ionic liquids ions is quite different from those found in molecular solvents, and many fundamental questions still remain about these materials. A better understanding of the interactions between amines and IL, and the products formed after the reaction with CO2, may contribute to the development of more efficient processes to enable the replacement of water in conventional processes. This study aimed to investigate solutions of the primary amines propylamine (PA), 2-methoxyethylamine (MOEN) and monoethanolamine (MEA) in imidazolium ionic liquids with different anions: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIBF4), hexafluorophosphate (BMIPF6), bis (trifluoromethylsulfonyl)imide (BMITFSI) and dicyanamide (BMIN(CN)2). For these purposes, the Raman and infrared (IR) spectroscopies were used, whose results were supported by calculations based on density functional theory (DFT). The results show that the asymmetric stretching mode of the amines group NH2, νas(NH2), are the most suitable for inferring the degree of aggregation of amines in organic solvents and IL. In the case of reactions of amines with CO2 in different IL, the behavior was similar to the reactions with neat amines, that is, it was observed crystallization with PA, the formation of a liquid miscible with IL in MOEN, and the formation of a gel-like product with subsequent phase separation in MEA. In particular, the case of the reaction between MEA and CO2 in IL, in addition to the phase separation, it was observed the different solubility of the reaction products depending on the IL concerned. In contrast to the conventional process using aqueous solutions of amines for the capture of CO2, it is believed that the phase separation observed in IL is an advantage to be exploited, since they allow lower energy consumption in the recovery of the amine absorber, besides the recovery of the non-volatile solvent.

Submitted by ANA KARLA PEREIRA RODRIGUES (anakarla_@hotmail.com) on 2017-08-02T12:48:15Z No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 9118352 bytes, checksum: 10cb4965cf17b6691c55ca0de741b9d2 (MD5) / Made available in DSpace on 2017-08-02T12:48:15Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 9118352 bytes, checksum: 10cb4965cf17b6691c55ca0de741b9d2 (MD5) Previous issue date: 2016-09-30 / Conselho Nacional de Pesquisa e Desenvolvimento Científico e Tecnológico - CNPq / This work deals with the computational quantum study of structural, electronic, vibrational, hyperconjugative and topological of hydrogen complexes with Cl3CH and F3CH donors, with the aceptor species proton, C2H2, C2H4, C3H4, C3H6 and C4H4, interacting with a region high electron density of the type π and pseudo-π. The computational methods used electronic structure were Density Functional Theory with functional hybrids B3LYP and X3LYP with Perturbative and Theory of many bodies of order 2, with a series of bases. The amounts of hydrogen bond energy suffered superposition error corrections of the Basic Feature Set and Vibrational Zero Point Energy. The complexes of hydrogen with the donor Cl3CH showed increases in the length of the C-H bond, while the present F3CH shortening of the C-H bond length due to formation of intermolecular bond. This trend is found for the deviation in the infrared spectrum, Chloroform has red shift while Fluoroform has blue shift deviations. The use of quantum theory of atoms in molecules shows the change in electron density of both interacting species, and in addition the density values are small and the Laplacian are positive. The methods followed the same trend for the properties of interest, suggesting the use of calculations via density functional theory, due to lower computational demand to study such systems. / Este trabalho trata do estudo quântico computacional de propriedades estruturais, eletrônicas, vibracionais, hiperconjugativas e topológicas dos complexos de hidrogênio com doadores Cl3CH e F3CH, com as espécies receptoras de próton, C2H2, C2H4, C3H4, C3H6 e C4H4, interagindo com uma região de alta densidade eletrônica do tipo π e pseudo- π. Os métodos computacionais de estrutura eletrônica empregados foram a Teoria do Funcional da Densidade com os funcionais híbridos B3LYP e X3LYP e a Teoria Perturbativa de Muitos Corpos de ordem 2, com uma série de bases. Os valores da energia da ligação de hidrogênio sofreram correções do Erro de Superposição do Conjunto de Funções de Base e da Energia Vibracional do Ponto Zero. Os complexos de hidrogênio com o doador Cl3CH apresentaram incrementos no comprimento da ligação C-H, enquanto o F3CH apresentam encurtamento do comprimento de ligação H-C, devido a formação da ligação intermolecular. Essa tendência é encontrada para o desvio no espectro infravermelho, o Clorofórmio apresenta red shift enquanto o Fluorfórmio tem desvios blue shift. O emprego da teoria quântica de átomos em moléculas evidencia a mudança na densidade eletrônica de ambas as espécies interagentes, e, além disso os valores da densidade são pequenos e do laplaciano da densidade são positivos. Os métodos empregados seguiram a mesma tendência para as propriedades de interesse, sugerindo o uso de cálculos via teoria do funcional da densidade, devido a menor demanda computacional, para estudar sistemas desse tipo. Palavras-Chave: Ligação de Hidrogênio Intermolecular, DFT/B3LYP, DFT/X3LYP, MP2 e QTAIM.

LFQO / Ligações de hidrogênio intramoleculares (LHI) estão entre as interações estabilizantes mais importantes que uma molécula pode apresentar, sendo muitas vezes a interação responsável por determinar o arranjo molecular. A avaliação da importância de ligações de hidrogênio para a estabilização de confôrmeros de uma molécula é realizada através de análise conformacional, que é o ramo da química orgânica que se atém a determinação da geometria molecular e da energia dos confôrmeros de uma molécula e de estudos para determinar quais as interações estéricas e eletrônicas que são responsáveis pela estabilização de cada confôrmero. Para investigar esta influência em compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos, as preferências conformacionais dos compostos 3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2), OCH2CH3(3), OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3(5)], 3-R-butanol [R = OH(6), OCH3(7)] e 3-metil-3-R-butanol [R = OH (8), OCH3 (9)] foram avaliadas através de cálculos teóricos utilizando o funcional LC- ωPBE/6-311+G(d,p) atrelados a técnicas experimentais de espectroscopia no infravermelho e ressonância magnética nuclear. Os compostos 1, 2, 6 e 7 foram obtidos comercialmente, os demais foram sintetizados. Para todos os compostos o confôrmero mais estável foi o que apresenta LHI O-H...O. Através do estudo de população térmica observou-se que a somatória da população dos confôrmeros que fazem LHI sempre foi muito superior a população dos que não fazem LHI. A população térmica dos confôrmeros que fazem LHI foi de 65, 66, 73, 69, 97, 92, 79, 99 e 99 % para os compostos de 1 a 9, respectivamente. As análises de infravermelho mostraram que os valores de  aumentaram de 76, 87, 96, 100 e 112 cm-1 para os compostos de 1 a 5, respectivamente, indicando que a adição de grupos alquilas ao oxigênio aceptor de hidrogênio aumenta a força da LHI, apesar da repulsão estérica aumentar com o aumento do volume do substituinte. Os resultados de infravermelho mostram também que a força da LHI é maior para o composto 2 ( = 87 cm-1) do que para o composto 6 ( = 77 cm-1) indicando que a adição de grupos alquilas diretamente ao oxigênio aceptor de hidrogênio aumenta mais a força da LHI do que quando adicionados ao carbono α a este oxigênio. Os resultados de 3JHH obtidos pelo RMN de 1H mostraram que os valores de 3JHH são alterados com a mudança da basicidade do solvente. Os valores de 3JHH são menores em CCl4 e maiores em DMSO-d6 para todos os compostos. Uma equação foi proposta para mensurar a fração molar de confôrmeros com ligação de hidrogênio intramolecular através de constantes de acoplamento vicinais baseado em observações teóricas e experimentais. Os valores de fração molar dos confôrmeros que fazem LHI foram de 59, 53, 56, 57, 78, 88 e 74 % em CCl4 para 22, 13, 15, 12, 16, 44 e 13 % em piridina-d5, para os compostos de 1, 2, 3, 4, 5, 8 e 9, respectivamente. Estes resultados mostram que em solventes mais básicos, os confôrmeros que não fazem LHI são mais estáveis, consequentemente as rotações entre as ligações carbono-carbono são facilitadas e os valores de 3JHH são próximos ou maiores que 7,0 Hz, que é um valor médio para livre rotação. / Intramolecular hydrogen bonding is one of the most important intramolecular interactions, which is a critical element in deciding the molecular arrangement. Conformational analysis is the most powerful tool to evaluate the hydrogen bonding importance for a conformational preference. The term conformational analysis covers two aspects: determining molecular geometry and conformer energies, followed by studies to determine which steric and electronic interactions are responsible for the conformational stability. To investigate this influence in acyclic compound, the conformational preferences of 3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2), OCH2CH3(3), OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3(5)], 3-R-butanol [R = OH(6), OCH3(7)] e 3-metil- 3-R-butanol [R = OH (8), OCH3 (9)] are evaluated by means of theoretical calculations along with experimental infrared and nuclear magnetic resonance spectroscopies. Compounds 1, 2, 6, and 7 were purchased and the rest of remaining compound were synthesized. In fact, the most stable conformation of these compounds exhibit IAHB. Thermal population of hydrogenbonded conformers are 65, 66, 73, 69, 97, 92, 79, 99, and 99% for compound 1-9, respectively. Experimental infrared data show the red-shift value increase of 76, 87, 96, 100 to 112 cm-1 for compound 1-5, respectively, suggesting that the addition of alkyl groups to the IAHB proton acceptor atom increases the strength of this interaction and, although the steric repulsion increases along with increasing substituent volume, the increase in the IAHB strength is higher than the increase in the steric repulsion. Infrared data also show that the IAHB strength is greater for compound 2 ( = 87 cm-1) than for compound 6 ( = 77 cm-1), indicating that the increase in the IAHB strength is greater when alkyl groups are bonded directly to the oxygen proton acceptor than to the α-carbon. Experimental 3JH1H2 increases with the increase in solvent basicity for all compounds, indicating a change in the conformacional preference along with the increase in solvent basicity. An equation based on vicinal coupling constant is proposed to analyze 1,3-disubstituted acyclic compounds, allowing measurement of the experimental molar fraction (XHB) of conformers hydrogen-bonded in any solvent. The XHB values changed of 59, 53, 56, 57, 78, 88, and 74% in the CCl4 solvent to 22, 13, 15, 12, 16, 44, and 13% in pyridined5 as solvent. These results indicate that conformers hydrogen-bonded are predominant in nonbasic solvents, while the population of conformers non-hydrogen-bonded increases as solvent basicity increases.

LFQO / Ligações de hidrogênio intramoleculares (LHI) estão entre as interações estabilizantes mais importantes que uma molécula pode apresentar, sendo muitas vezes a interação responsável por determinar o arranjo molecular. A avaliação da importância de ligações de hidrogênio para a estabilização de confôrmeros de uma molécula é realizada através de análise conformacional, que é o ramo da química orgânica que se atém a determinação da geometria molecular e da energia dos confôrmeros de uma molécula e de estudos para determinar quais as interações estéricas e eletrônicas que são responsáveis pela estabilização de cada confôrmero. Para investigar esta influência em compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos, as preferências conformacionais dos compostos 3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2), OCH2CH3(3), OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3(5)], 3-R-butanol [R = OH(6), OCH3(7)] e 3-metil-3-R-butanol [R = OH (8), OCH3 (9)] foram avaliadas através de cálculos teóricos utilizando o funcional LC- ωPBE/6-311+G(d,p) atrelados a técnicas experimentais de espectroscopia no infravermelho e ressonância magnética nuclear. Os compostos 1, 2, 6 e 7 foram obtidos comercialmente, os demais foram sintetizados. Para todos os compostos o confôrmero mais estável foi o que apresenta LHI O-H...O. Através do estudo de população térmica observou-se que a somatória da população dos confôrmeros que fazem LHI sempre foi muito superior a população dos que não fazem LHI. A população térmica dos confôrmeros que fazem LHI foi de 65, 66, 73, 69, 97, 92, 79, 99 e 99 % para os compostos de 1 a 9, respectivamente. As análises de infravermelho mostraram que os valores de  aumentaram de 76, 87, 96, 100 e 112 cm-1 para os compostos de 1 a 5, respectivamente, indicando que a adição de grupos alquilas ao oxigênio aceptor de hidrogênio aumenta a força da LHI, apesar da repulsão estérica aumentar com o aumento do volume do substituinte. Os resultados de infravermelho mostram também que a força da LHI é maior para o composto 2 ( = 87 cm-1) do que para o composto 6 ( = 77 cm-1) indicando que a adição de grupos alquilas diretamente ao oxigênio aceptor de hidrogênio aumenta mais a força da LHI do que quando adicionados ao carbono α a este oxigênio. Os resultados de 3JHH obtidos pelo RMN de 1H mostraram que os valores de 3JHH são alterados com a mudança da basicidade do solvente. Os valores de 3JHH são menores em CCl4 e maiores em DMSO-d6 para todos os compostos. Uma equação foi proposta para mensurar a fração molar de confôrmeros com ligação de hidrogênio intramolecular através de constantes de acoplamento vicinais baseado em observações teóricas e experimentais. Os valores de fração molar dos confôrmeros que fazem LHI foram de 59, 53, 56, 57, 78, 88 e 74 % em CCl4 para 22, 13, 15, 12, 16, 44 e 13 % em piridina-d5, para os compostos de 1, 2, 3, 4, 5, 8 e 9, respectivamente. Estes resultados mostram que em solventes mais básicos, os confôrmeros que não fazem LHI são mais estáveis, consequentemente as rotações entre as ligações carbono-carbono são facilitadas e os valores de 3JHH são próximos ou maiores que 7,0 Hz, que é um valor médio para livre rotação. / Intramolecular hydrogen bonding is one of the most important intramolecular interactions, which is a critical element in deciding the molecular arrangement. Conformational analysis is the most powerful tool to evaluate the hydrogen bonding importance for a conformational preference. The term conformational analysis covers two aspects: determining molecular geometry and conformer energies, followed by studies to determine which steric and electronic interactions are responsible for the conformational stability. To investigate this influence in acyclic compound, the conformational preferences of 3-R-propanol [R = OH (1), OCH3 (2), OCH2CH3(3), OCH(CH3)2 (4) e OC(CH3)3(5)], 3-R-butanol [R = OH(6), OCH3(7)] e 3-metil- 3-R-butanol [R = OH (8), OCH3 (9)] are evaluated by means of theoretical calculations along with experimental infrared and nuclear magnetic resonance spectroscopies. Compounds 1, 2, 6, and 7 were purchased and the rest of remaining compound were synthesized. In fact, the most stable conformation of these compounds exhibit IAHB. Thermal population of hydrogenbonded conformers are 65, 66, 73, 69, 97, 92, 79, 99, and 99% for compound 1-9, respectively. Experimental infrared data show the red-shift value increase of 76, 87, 96, 100 to 112 cm-1 for compound 1-5, respectively, suggesting that the addition of alkyl groups to the IAHB proton acceptor atom increases the strength of this interaction and, although the steric repulsion increases along with increasing substituent volume, the increase in the IAHB strength is higher than the increase in the steric repulsion. Infrared data also show that the IAHB strength is greater for compound 2 ( = 87 cm-1) than for compound 6 ( = 77 cm-1), indicating that the increase in the IAHB strength is greater when alkyl groups are bonded directly to the oxygen proton acceptor than to the α-carbon. Experimental 3JH1H2 increases with the increase in solvent basicity for all compounds, indicating a change in the conformacional preference along with the increase in solvent basicity. An equation based on vicinal coupling constant is proposed to analyze 1,3-disubstituted acyclic compounds, allowing measurement of the experimental molar fraction (XHB) of conformers hydrogen-bonded in any solvent. The XHB values changed of 59, 53, 56, 57, 78, 88, and 74% in the CCl4 solvent to 22, 13, 15, 12, 16, 44, and 13% in pyridined5 as solvent. These results indicate that conformers hydrogen-bonded are predominant in nonbasic solvents, while the population of conformers non-hydrogen-bonded increases as solvent basicity increases.

Made available in DSpace on 2015-05-14T13:21:30Z (GMT). No. of bitstreams: 1 arquivototal.pdf: 4538639 bytes, checksum: 981ce0eef0681003af97d1a8046c66ee (MD5) Previous issue date: 2013-08-06 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior - CAPES / The aim of this work was to study two kinds of intermolecular hydrogen bonding, the non-usual that is represented by the interaction between acetylene and the HX species (C2H2 --- HX) and the usual that is represented by the interaction between hydrogen cyanide and HX species, with X = F, Cl, CN, and HCCH. This interaction promotes changes in the structural, electronic and vibrational properties of the species involved. In this work, we employe d not onlycomputational-quantum methods MP2/6-311 + + G (d, p) and DFT/B3LYP/6-311 + + G (d, p) in order to study the structural, electronic and vibrational properties of those two types of intermolecular hydrogen bonding, but also we employed QTAIM and NBO methods to complement our research. The results have shown no significant differences between the two correlated methods employed for both types of hydrogen bonded complexes, leading us to suggest the use of the DFT/B3LYP method for studies of similar systems to those studied here, due to the lower computational demand. The increase in bond length of the HX species are enhanced due to formation of more linear complexes than T-complexes, in both calculation levels. The intermolecular bond length values in the complex HCN --- HX are smaller than in the complexes HCCH --- HX, and the values from MP2 and DFT/B3LYP are very close in each individual type of hydrogen complex, suggesting that the linear complexes are more stabilized by the formation of hydrogen bonding than the T-complexes, which can be proved by the values of the binding energy of hydrogen in HCN --- HX. Concerning the redshift effect in the harmonic vibrational mode of species HX, due to the formation of intermolecular bond, the values obtained for linear complexes hydrogen are higher than for the corresponding T-complexes, considering both calculation levels. Values were evaluated from the increase in the intensity values of the stretch mode HX bond formation due to intermolecular and, according to the model CCFOM, the term load flow is responsible for the effect on the increase of HX intensity. We also highlight the new vibrational modes, emphasizing the stretch mode of the intermolecular bond. From studies employing QTAIM, it was possible to obtain the values of electron density and the Laplacian electron density and evaluate these parameters in critical points in HX and intermolecular hydrogen bonding, thus confirming the formation of hydrogen bonded complexes. We evaluated the energy difference between π orbitals and lone pair of nitrogen (in HCN), for the species receiving proton and sigma antibonding for the hydrogen of HX, using the method of natural bond orbital variation. / O objeto de estudo deste trabalho foi a ligação de hidrogênio intermolecular de dois tipos, a não-usual representada pela interação entre o acetileno e espécies HX (C2H2---HX) e a usual representada pela interação entre o ácido cianídrico e espécies HX, com X=F, Cl, CN e HCCH. Esta interação provoca mudanças nas propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais das espécies envolvidas. Neste trabalho empregamos os métodos quântico-computacionais MP2/6-311++G(d,p) e DFT/B3LYP/6-311++G(d,p) para estudar as propriedades estruturais, eletrônicas e vibracionais dos dois tipos de ligação de hidrogênio intermolecular, além de complementar nossa investigação empregando os métodos QTAIM e NBO. Os resultados não mostraram diferenças significativas entre os dois métodos correlacionados empregados para ambos os tipos de complexos de hidrogênio, nos levando a sugerir o emprego do método DFT/B3LYP para estudos de sistemas semelhantes aos aqui estudados, devido a menor demanda computacional. Os valores de incremento no comprimento de ligação das espécies HX são mais acentuados devido à formação dos complexos lineares do que dos complexos-T, em ambos os níveis de cálculo. Os valores de comprimento de ligação intermolecular nos complexos HCN---HX são menores do que nos complexos HCCH---HX, sendo os valores MP2 e DFT/B3LYP bem próximos em cada tipo individual de complexo de hidrogênio, sugerindo que os complexos lineares são mais estabilizados pela formação da ligação de hidrogênio do que os complexos-T, fato que pode ser comprovado pelos valores da energia de ligação de hidrogênio em HCN---HX. Com respeito ao efeito redshift no modo vibracional harmônico das espécies HX, devido à formação da ligação intermolecular, os valores obtidos para os complexos de hidrogênio lineares são maiores do que para os correspondentes complexos-T, considerando ambos os níveis de cálculo. Foram avaliados os valores do incremento nos valores de intensidade do modo de estiramento de HX devido à formação da ligação intermolecular e, de acordo com o modelo CCFOM, o termo de fluxo de carga é o responsável pelo efeito no aumento da intensidade de HX. Foram ainda destacados os novos modos vibracionais, dando ênfase ao modo de estiramento da ligação intermolecular. Dos estudos empregando a QTAIM foi possível obter os valores da densidade eletrônica e do Laplaciano da densidade eletrônica e avaliar os valores desses parâmetros nos pontos críticos de ligação em HX e na ligação de hidrogênio intermolecular, comprovando dessa forma a formação dos complexos de hidrogênio. Com os estudos empregando o método dos orbitais naturais de ligação foi avaliada a diferença de energia entre os orbitais π (no acetileno) e o orbital do par de elétrons livres do nitrogênio (em HCN), para as espécies receptoras de próton, e o orbital sigma antiligante do hidrogênio em HX.

A substituição da água por líquidos iônicos (LI) oferece uma alternativa promissora para o desenvolvimento de processos de separação de gases, principalmente devido à significativa demanda energética em processos convencionais que utilizam soluções aquosas de aminas. Esta proposta apresenta-se interessante por aliar as propriedades dos LI à reatividade de aminas perante o CO2. A físico-química que governa as interações entre os íons dos líquidos iônicos é bastante diversa das encontradas em solventes moleculares, sendo que ainda permanecem muitas questões fundamentais acerca destes materiais. A melhor compreensão das interações estabelecidas entre aminas e LI, e dos produtos formados após a reação com CO2, pode contribuir para o desenvolvimento de processos mais eficazes que permitam a substituição da água nos processos convencionais. O presente trabalho teve como objetivo investigar soluções das aminas primárias propilamina (PA), 2-metoxietilamina (MOEN) e monoetanolamina (MEA) em líquidos iônicos imidazólicos com diferentes ânions: 1-butil-3-metilimidazólio tetrafluoroborato (BMIBF4), hexafluorofosfato (BMIPF6), bis-(trifluorometilsulfonil)imida (BMITFSI) e dicianamida (BMIN(CN)2). Para tal, foram utilizadas as espectroscopias Raman e infravermelho (IR), cujos resultados foram suportados por cálculos baseados na teoria do funcional da densidade (DFT). Os resultados mostram que o modo de estiramento assimétrico do grupo NH2 das aminas, νas(NH2), é o mais adequado para se inferir sobre o grau de agregação das aminas em solventes orgânicos e em LI. No caso das reações das aminas com CO2 nos diferentes LI, o comportamento foi similar à reação com as aminas puras, ou seja, na PA houve cristalização, na MOEN, a formação de um líquido miscível com os LI, e na MEA, a formação de um gel com a subsequente separação de fases. Em particular, no caso da reação entre MEA e CO2 em LI, além da separação de fases, foi observada a diferente solubilidade dos produtos de reação dependendo do LI em questão. Em contraste ao processo convencional que utiliza soluções aquosas de aminas para a captura do CO2, acredita-se que a separação de fases observada em LI seja uma vantagem a ser explorada, já que permitiria um menor gasto energético na recuperação da amina absorvedora, além da recuperação do solvente não volátil / The replacement of water by ionic liquids (IL) offers a promising alternative for the development of gas separation processes, mainly due to the significant energy demand in conventional processes using aqueous solutions of amines. This proposal is exciting because it combines the properties of IL with the reactivity of amines towards CO2. The physical-chemistry that governs the interactions between the ionic liquids ions is quite different from those found in molecular solvents, and many fundamental questions still remain about these materials. A better understanding of the interactions between amines and IL, and the products formed after the reaction with CO2, may contribute to the development of more efficient processes to enable the replacement of water in conventional processes. This study aimed to investigate solutions of the primary amines propylamine (PA), 2-methoxyethylamine (MOEN) and monoethanolamine (MEA) in imidazolium ionic liquids with different anions: 1-butyl-3-methylimidazolium tetrafluoroborate (BMIBF4), hexafluorophosphate (BMIPF6), bis (trifluoromethylsulfonyl)imide (BMITFSI) and dicyanamide (BMIN(CN)2). For these purposes, the Raman and infrared (IR) spectroscopies were used, whose results were supported by calculations based on density functional theory (DFT). The results show that the asymmetric stretching mode of the amines group NH2, νas(NH2), are the most suitable for inferring the degree of aggregation of amines in organic solvents and IL. In the case of reactions of amines with CO2 in different IL, the behavior was similar to the reactions with neat amines, that is, it was observed crystallization with PA, the formation of a liquid miscible with IL in MOEN, and the formation of a gel-like product with subsequent phase separation in MEA. In particular, the case of the reaction between MEA and CO2 in IL, in addition to the phase separation, it was observed the different solubility of the reaction products depending on the IL concerned. In contrast to the conventional process using aqueous solutions of amines for the capture of CO2, it is believed that the phase separation observed in IL is an advantage to be exploited, since they allow lower energy consumption in the recovery of the amine absorber, besides the recovery of the non-volatile solvent.

Orientador: Roy Edward Bruns / Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química / Made available in DSpace on 2018-08-27T17:55:48Z (GMT). No. of bitstreams: 1 SilvaFilho_ArnaldoFernandesda_D.pdf: 3082631 bytes, checksum: e9ba02a9f689d66f518049735ac3117b (MD5) Previous issue date: 2015 / Resumo: No que diz respeito aos clorofluorometanos, os estiramentos e deformações C-F têm cargas atômicas que fornecem as contribuições dominantes para as intensidades totais, ainda que as suas interações com os fluxos de carga e de dipolo sejam importantes. A soma das contribuições de carga com estas interações permite estimativas muito precisas para as intensidades dos estiramentos C-F. Para os estiramentos e deformações C-H e C-Cl as contribuições de carga não são dominantes. Para os estiramentos e deformações C-H as contribuições de carga são diminuídas pelas contribuições fluxo de carga e fluxo de dipolo, bem como por suas interações. Isto é também o caso para o acetileno, que possui um dos hidrogênios mais ácidos entre todos os hidrocarbonetos. O fenômeno de transferência de carga - contrapolarização foi utilizado para determinar com precisão a intensidade de 30 vibrações (estiramentos e deformações C-H) para átomos de carbono hibridizados sp3 e sp2. A carga de equilíbrio deve ser levada em consideração para descrever intensidades envolvendo hidrogênios ligados aos carbonos hibridizados sp, ainda que efeitos de transferência de carga ¿ contrapolarização ainda sejam importantes. Para os complexos de ligação de hidrogênio, a diminuição do fluxo de carga causa um aumento na intensidade de absorção devido às interações entre termos cruzados. Para os estiramentos simétrico e antissimétrico para a água o fluxo de dipolo é determinante para o aumento de intensidade, porque os termos de carga e fluxo de carga se cancelam quase inteiramente com sua interação. Os estudos QTAIM sugerem que para as intensidades dos trímeros, dímeros e monômeros de água e HF existem funções muito complexas de parâmetros eletrônicos, mas que essas funções podem ser representadas de maneira simplificada por contribuições CCFDF do hidrogênio "ponte", responsável por maior parte das flutuações eletrônicas / Abstract: Atomic charges are dominant to the C-F stretches and bendings to total intensity, even though the interactions with charge fluxes and dipole fluxes are also important. The sum of the charge contributions with these interactions enable a very precise estimate to the intensities . For C-H and C-Cl stretches and bending charge contributions are not dominant. For the C-H stretches and bendings charge contributions are reduced by the charge flux and dipole flux interactions. This is also the case for acetylene, which has one of the most acidic hydrogens among all hydrocarbons. The charge transfer ¿ counter polarization model was used to accurately determine the intensity of 30 C-H vibrations for both sp3 and sp2 carbon atoms. The the charge contributions must be taken into account to describe intensities involving hydrogens attached to sp hybridized carbons, even though charge transfer ¿ counter polarization effects are still important. For hydrogen bonding complexes, the decrease in charge flux causes an increase in absorption intensity due to the cross interactions terms. For the symmetric and antisymmetric stretches of the water dimer the dipole flux is crucial to the intensity increase, since the terms of charge and charge flux cancel each other almost entirely .The infrared intensities for complexes can be represented in a simplified manner by the CCFDF contributions of the "bridge" hydrogen , responsible for most electronic fluctuations. / Doutorado / Físico-Química / Doutor em Ciências

CAPES; Fundação Araucária / A análise conformacional abrange os aspectos da determinação de estruturas geométricas moleculares, energias relativas de confôrmeros e das interações que controlam as estabilidades estruturais. Neste sentido, as preferências conformacionais dos compostos 3-aminopropanol (1), 3-N-metilaminopropanol (2), 3-N,N-dimetilaminopropanol (3), 3-aminobutanol (4), 3-Nmetilaminobutanol (5) e 3-N,N-dimetilaminobutanol (6) foram avaliadas experimentalmente através de espectroscopias de Infravermelho (IV) e Ressonância Magnética Nuclear (RMN), e teoricamente por cálculos usando a Teoria do Funcional de Densidade (DFT). O estudo destes compostos foi importante porque irá melhorar a compreensão das interações que ocorrem nestas moléculas em diferentes ambientes químicos, uma vez que existe uma ampla gama de amino álcoois com aplicações biológicas e sintéticas. Diante disso, os cálculos teóricos mostraram que a ligação de hidrogênio intramolecular (LHI) O-H ...N governa a estabilidade e a preferência conformacional dos compostos 1-6. A LHI favorece uma conformação do tipo pseudo-cadeira de seis membros com substituintes em posições pseudo-equatoriais e pseudo-axiais, os quais apresentam interações repulsivas que também contribuem expressivamente para a estabilidade conformacional, principalmente dos compostos 4-6. Os resultados experimentais obtidos através do IV mostraram que os deslocamentos para o vermelho da banda da ligação OH foram de 193, 225 e 256 cm-1 para os compostos 1, 2 e 3, respectivamente. Estes resultados foram surpreendentes e indicaram que a força da LHI aumenta nesta ordem apesar do efeito estérico também aumentar. Uma primeira metodologia, para calcular a fração molar experimental de confôrmeros com LHI (XLHI) para compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos por RMN de 1H, foi proposta neste trabalho. Os resultados de XLHI foram muito interessantes e mostraram que em solventes apolares tais como CCl4 os confôrmeros com LHI são predominantes no equilíbrio conformacional (XLHI = 0,70, 0,69 e 0,78 para os compostos 1-3). Já em solventes polares como DMSO-d6, os valores de XLHI foram bem menores (0,10, 0,08 e 0,08 para os compostos 1-3), indicando uma mudança no equilíbrio conformacional de confôrmeros que faziam LHI para confôrmeros que não tinham este tipo de interação. As análises por Teoria Quântica de Átomos em Moléculas e Interações Não Covalentes evidenciaram, caracterizaram e quantificaram a intensidade da LHI nos compostos 1-6. Estes resultados foram concordantes com os dados experimentais e indicaram que tanto as LHI quanto as interações estéricas influenciam de forma significativa na estabilidade conformacional de todos os compostos estudados. / The conformational analysis covers aspects of the determination of molecular geometric structures, relative energies of conformers and interactions that control structural stabilities. In this sense, the conformational preferences of the compounds (1), 3-N-methylaminopropanol (2), 3-N,N-dimethylaminopropanol (3), 3-aminobutanol (4), 3-N-methylaminobutanol (5) and 3-N,N-dimethylaminobutanol (6) are evaluated experimentally through Infrared (IR) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopies and theoretically by calculations using the Density Functional Theory (DFT). The study of these compounds was important because it will improve the understanding of the interactions that occur in these molecules in different chemical environments, since there is a wide range of amino alcohols with biological and synthetic applications. In view of this, theoretical calculations showed that the O-H···N intramolecular hydrogen bonding (IHB) governs the stability and the conformational preference of compounds 1-6. The IHB favors the formation of a chair like six member ring with substituents at pseudo-equatorial-axial positions, which exhibit repulsive interactions that also contribute significantly to the conformational stability, especially of compounds 4-6. The IR experimental results showed a OH band red shift of 193, 225, and 256 cm-1 for compounds 1, 2 and 3, respectively. These results were surprising and indicated that the strength of IHB increases in this order although the steric effect also increases. A first methodology for calculating the experimental molar fraction of hydrogen-bonded conformers (XIHB), in any solvent by 1H NMR, was proposed to attend 1,3-disubstituted acyclic compounds. The XIHB results showed that in non-polar solvents, such as CCl4 solvent, the hydrogen-bonded conformers predominate in the conformational equilibria (XIHB = 0.70, 0.69 and 0.78 for compounds 1-3). In polar solvents, such as DMSO-d6, the XIHB values decrease (0.10, 0.08 and 0.08 in compounds 1-3) indicating a change in conformational equilibria from hydrogenbonded conformers to non-hydrogen-bonded conformers. Quantum Theory of Atoms in Molecules and Non-Covalent Interactions analysis evidences, characterizes and quantifies the strength of IHB in compounds 1-6. These results agreed with the experimental data and indicated that both IHB and steric interactions significantly influence the conformational stability of all compounds studied.

A organização e a estabilidade de compostos de coordenação, no estado sólido, pode ser correlacionada com os ligantes diretamente coordenados a íons metálicos e com as interações não covalentes estabelecidas entre os ligantes e solventes de cristalização. O presente trabalho avaliou a influência dos pré ligantes ácido 2,6-dihidróxibenzoico (Hdhb), ácido benzoico (Hbzt), ácido oxálico (H2ox) e 2,2’-bipiridina (bipi), capazes de realizar interações não covalentes, em sua reatividade frente a sais de cobre(II), cobalto(II) e manganês(II). Foram avaliadas diferentes combinações de ligantes para cada íon metálico e condições de reação, gerando um total de dez produtos caracterizados por DRX de monocristal. Dentre eles, os complexos [Cu2( ox)(bzt)2(bipi)2(H2O)2] (A), [Co(H2O)6](dhb)2·2H2O (B) e [Mn(H2O)6](dhb)2·2H2O (C) são inéditos. Estes produtos foram avaliados em sua composição elementar, analisados por técnicas difratométricas (DRX de pó e de monocristal) e espectroscópicas (IV, Raman, RPE e Uv/Vis). Os dados estruturais foram correlacionados com as propriedades espectroscópicas, termogravimétricas e magnéticas. O produto A foi obtido em 90 % de rendimento a partir da reação de Cu(CH3COO)2·H2O com os pré-ligantes Hbzt, H2ox e bipi, em metanol a 70 °C. A análise por DRX de monocristal revelou que em A todos os ligantes contribuem para a manifestação de interações não covalentes do tipo ligações de hidrogênio e interação . A análise por RPE e medidas de susceptibilidade magnética à temperatura ambiente indicaram a existência de interação magnética entre os centros de cobre(II). Medidas de susceptibilidade magnética com variação de temperatura revelaram uma interação ferromagnética (J = 3,26 cm-1) mais forte que a apresentada por complexos análogos. Medidas termogravimétricas mostraram que a decomposição de A se inicia em 55 °C com a perda de 2 H2O, seguida da perda dos ligantes orgânicos entre 136 e 900 °C. Os produtos B e C, de estruturas análogas, foram obtidos em 97 e 99 % de rendimento, respectivamente, a partir da reação de CoCl2·6H2O ou MnCl2·4H2O com o pré-ligante Hdhb, em água a 70 °C. A análise por DRX de monocristal revelou que não ocorreu a coordenação do íon dhb, provavelmente devido a estabilização do carboxilato livre por duas ligações de hidrogênio intramoleculares assistidas por carga. A rede cristalina de B e C também é estabilizada por interações  e por ligações de hidrogênio intermoleculares formadas a partir das águas coordenadas e de cristalização. A decomposição térmica de B e C se inicia com a perda de moléculas de água a temperaturas inferiores a 55 °C e a perda total da parte orgânica ocorre acima de 600 °C. Os compostos obtidos neste trabalho evidenciaram que a estrutura e o grau de agregação dos compostos são dependentes da habilidade de coordenação do ligante ao íon metálico e das interações não covalentes nos ligantes livres e nos complexos formados. / The organization and stability of coordination compounds could be correlated to structural features, as the number and nature of ligands coordinated to the metallic ions and with noncovalent interactions established between the ligands and with crystallization solvents. The present work evaluated the influence of the pre-ligands 2,6-dihydroxybenzoic acid (Hdhb), benzoic acid (Hbzt), oxalic acid (H2ox), and 2,2' bipyridine (bipi), capable to perform noncovalent interactions, in its reactivity to copper(II), cobalt(II) and manganese(II) salts. For each metallic ion, and reaction condition were evaluated with different combinations of ligands, producing 10 different structures characterized by single crystal XRD. Among them, the complexes [Cu2( ox)(bzt)2(bipi)2(H2O)2] (A), [Co(H2O)6](dhb)2·2H2O (B), and [Mn(H2O)6](dhb)2·2H2O (C) were synthesized for the first time in this work. Those products were characterized by elemental analysis and diffractometric (powder and single crystal XRD) and spectroscopic (IR, Raman, EPR and Uv/Vis) techniques. Moreover, spectroscopic, thermogravimetric and magnetic properties of A, B and C, were attempt correlated with their structural features. Product A was obtained with 90% of yield from the reaction of Cu(CH3COO)2·H2O with the pre-ligands Hbzt, H2ox, and bipy, in methanol at 70 °C. Single crystal XRD analysis of A evidenced that all ligands interact through noncovalent interactions, as hydrogen bonds and  interaction. EPR and magnetic susceptibility measurements strongly suggest the existence of magnetic interaction between the copper(II) centres. In addition, magnetic susceptibility measurement varying temperature revealed a ferromagnetic exchange (J = 3.26 cm-1) stronger than those observed for analogous complexes. Thermal decomposition of A starts at 55 °C with the loss of two water molecules, succeed by the loss of the organic ligands (136 – 900 °C). Product B and C showed similar structures and were obtained in 97 and 99 % of yield, respectively, from the reaction of CoCl2·6H2O or Mn2Cl2·4H2O with Hdhb, in water at 70° C. Single crystal XRD analysis revealed that dhb ion remains as counterion of the aqua complexes, probably due the stabilization of the free carboxylate by two intramolecular charge-assisted hydrogen bonds. The crystal lattice of B and C is also stabilized by  interactions and intermolecular hydrogen bonds from both coordinated and crystallization water molecules. According to TGA curves, the thermal decomposition of B and C starts with the loss of water molecules below 55° C, and a complete weight-loss of organic ligands occurs above 600° C for both complexes. The correlation between the nature of all products obtained with synthetic conditions revealed that the structure and degree of aggregation depends on the coordination ability of the ligand to the metallic ion and on the noncovalent interactions in the free ligands and complexes formed.

CAPES; Fundação Araucária / A análise conformacional abrange os aspectos da determinação de estruturas geométricas moleculares, energias relativas de confôrmeros e das interações que controlam as estabilidades estruturais. Neste sentido, as preferências conformacionais dos compostos 3-aminopropanol (1), 3-N-metilaminopropanol (2), 3-N,N-dimetilaminopropanol (3), 3-aminobutanol (4), 3-Nmetilaminobutanol (5) e 3-N,N-dimetilaminobutanol (6) foram avaliadas experimentalmente através de espectroscopias de Infravermelho (IV) e Ressonância Magnética Nuclear (RMN), e teoricamente por cálculos usando a Teoria do Funcional de Densidade (DFT). O estudo destes compostos foi importante porque irá melhorar a compreensão das interações que ocorrem nestas moléculas em diferentes ambientes químicos, uma vez que existe uma ampla gama de amino álcoois com aplicações biológicas e sintéticas. Diante disso, os cálculos teóricos mostraram que a ligação de hidrogênio intramolecular (LHI) O-H ...N governa a estabilidade e a preferência conformacional dos compostos 1-6. A LHI favorece uma conformação do tipo pseudo-cadeira de seis membros com substituintes em posições pseudo-equatoriais e pseudo-axiais, os quais apresentam interações repulsivas que também contribuem expressivamente para a estabilidade conformacional, principalmente dos compostos 4-6. Os resultados experimentais obtidos através do IV mostraram que os deslocamentos para o vermelho da banda da ligação OH foram de 193, 225 e 256 cm-1 para os compostos 1, 2 e 3, respectivamente. Estes resultados foram surpreendentes e indicaram que a força da LHI aumenta nesta ordem apesar do efeito estérico também aumentar. Uma primeira metodologia, para calcular a fração molar experimental de confôrmeros com LHI (XLHI) para compostos acíclicos 1,3-dissubstituídos por RMN de 1H, foi proposta neste trabalho. Os resultados de XLHI foram muito interessantes e mostraram que em solventes apolares tais como CCl4 os confôrmeros com LHI são predominantes no equilíbrio conformacional (XLHI = 0,70, 0,69 e 0,78 para os compostos 1-3). Já em solventes polares como DMSO-d6, os valores de XLHI foram bem menores (0,10, 0,08 e 0,08 para os compostos 1-3), indicando uma mudança no equilíbrio conformacional de confôrmeros que faziam LHI para confôrmeros que não tinham este tipo de interação. As análises por Teoria Quântica de Átomos em Moléculas e Interações Não Covalentes evidenciaram, caracterizaram e quantificaram a intensidade da LHI nos compostos 1-6. Estes resultados foram concordantes com os dados experimentais e indicaram que tanto as LHI quanto as interações estéricas influenciam de forma significativa na estabilidade conformacional de todos os compostos estudados. / The conformational analysis covers aspects of the determination of molecular geometric structures, relative energies of conformers and interactions that control structural stabilities. In this sense, the conformational preferences of the compounds (1), 3-N-methylaminopropanol (2), 3-N,N-dimethylaminopropanol (3), 3-aminobutanol (4), 3-N-methylaminobutanol (5) and 3-N,N-dimethylaminobutanol (6) are evaluated experimentally through Infrared (IR) and Nuclear Magnetic Resonance (NMR) spectroscopies and theoretically by calculations using the Density Functional Theory (DFT). The study of these compounds was important because it will improve the understanding of the interactions that occur in these molecules in different chemical environments, since there is a wide range of amino alcohols with biological and synthetic applications. In view of this, theoretical calculations showed that the O-H···N intramolecular hydrogen bonding (IHB) governs the stability and the conformational preference of compounds 1-6. The IHB favors the formation of a chair like six member ring with substituents at pseudo-equatorial-axial positions, which exhibit repulsive interactions that also contribute significantly to the conformational stability, especially of compounds 4-6. The IR experimental results showed a OH band red shift of 193, 225, and 256 cm-1 for compounds 1, 2 and 3, respectively. These results were surprising and indicated that the strength of IHB increases in this order although the steric effect also increases. A first methodology for calculating the experimental molar fraction of hydrogen-bonded conformers (XIHB), in any solvent by 1H NMR, was proposed to attend 1,3-disubstituted acyclic compounds. The XIHB results showed that in non-polar solvents, such as CCl4 solvent, the hydrogen-bonded conformers predominate in the conformational equilibria (XIHB = 0.70, 0.69 and 0.78 for compounds 1-3). In polar solvents, such as DMSO-d6, the XIHB values decrease (0.10, 0.08 and 0.08 in compounds 1-3) indicating a change in conformational equilibria from hydrogenbonded conformers to non-hydrogen-bonded conformers. Quantum Theory of Atoms in Molecules and Non-Covalent Interactions analysis evidences, characterizes and quantifies the strength of IHB in compounds 1-6. These results agreed with the experimental data and indicated that both IHB and steric interactions significantly influence the conformational stability of all compounds studied.