Solvatação em solventes puros e misturas binárias: fundamentos e aplicações

• Main Author: Priscilla Leandro Silva
• Other Authors: Omar A El Seoud
• Language: Portuguese
• Published: Universidade de São Paulo 2011
• Subjects: Acetatos de celulose; Equações de energia livre de solvatação; Líquidos iônicos; Solvatação em misturas binárias; Solvatação em solventes puros; Solvatocromismo; Solvente; Cellulose acetates; Equations of solvation free energy; Ionic liquids; Solvation in binay mixtures; Solvation in pure solvents; Solvatochromism; Solvent
• Online Access: http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/46/46135/tde-02112011-122800/

Este trabalho visou compreensão da solvatação em solventes puros e misturas binárias, e aplicar as informações obtidas para analisar o efeito de solventes na síntese de líquido iônico, e na dependência das propriedades de filmes de acetatos de celulose, AC, sobre o grau de substituição do éster. Para a compreensão da solvatação utilizou-se compostos (sondas solvatocrômicas) cujos espectros Uv-Vis são sensíveis às propriedades do meio. Juntamente com tais sondas, foram usadas outras duas ferramentas: (i) Modelo de solvatação preferencial; proposto por nosso grupo e que descreve a composição da camada de solvatação da sonda, considerando a existência de um \"agregado\" água - solvente orgânico. (ii)Correlações multi-paramêtricas de energia livre de solvatação; que correlacionam uma propriedade dependente do meio com as propriedades dos solventes e suas misturas. Primeiramente, estudamos a solvatação de pares de sondas que possuíam pKas semelhantes e lipofilicidades diferentes em solventes próticos. Concluiu-se que a acidez e a dipolaridade/polarizabilidade dos solventes são as propriedades mais importantes. As conclusões foram corroboradas por cálculos teóricos, que mostraram a relação entre as características estruturais da sonda e suas susceptibilidades às propriedades do meio. O mesmo conjunto de sondas foi usado no estudo de misturas água-solventes próticos. Neste, aplicou-se com sucesso o modelo de solvatação acima mencionado e, de forma inédita, conseguimos racionalizar as constantes de equilíbrio para a troca das espécies presentes (água, solvente e água-solvente) na camada de solvatação com as propriedades dos solventes puros e/ou das misturas binárias. Os resultados revelaram que a composição da camada de solvatação é regida pelas propriedades de solventes, em particular a lipofilicidade e basicidade. As sondas RB e WB foram estudadas em misturas de água com alcoóis e com solventes apróticos. O intuito era ampliar a aplicabilidade do modelo de solvatação, para o qual precisávamos conhecer o volume molar do agregado, VSolv-A, e a constante de dissociação, Kdissoc, do agregado água-solvente. Estas duas grandezas eram obtidas de forma simultânea, através de dados de densidade. Desta vez, fizemos uso de cálculos teóricos para obter, de forma independente, o volume molar e depois utilizá-lo, como parâmetro constante (não ajustável) na cálculo de Kdissoc. A comparação dos resultados mostrou que, por ambas as abordagens, o desvio entre os valores de Kdissoc era mínimo. Por outro lado, em nenhum caso a ordem de Kdissoc se alterava. Esta observação deve-se ao fato de que o cálculo simultâneo de Kdissoc e VSolv-A foi sempre baseado em número grande de dados de densidade (18) de forma que os ajustes por interação não convergissem para um falso mínimo; o nível de teoria usado nos cálculos teóricos foi adequado. Quanto às aplicações, ficou evidente como a escolha do solvente afeta a velocidade da síntese do líquido iônico. Em relação aos filmes de AC, tentamos reproduzir as propriedades dos mesmos, através de uso de dois modelos etanol-acetato de etila e celulose-triacetato de celulose. Os dados da mistura líquida mostraram solvatação preferencial; foram tratados com sucesso pelo mesmo modelo aplicado para misturas binárias aquosas. O modelo sólido reproduziu os dados da AC qualitativamente. === This work is aimed at understanding solvation in pure solvents and binary mixtures and, the application of the information obtained in order to analyze the solvents effects on the synthesis of an ionic liquid, and on the dependence of the properties of cellulose acetate films, CA, on the degree of substitution of the ester. To understand salvation, was have used compounds (solvatchromic probes), whose UV-vis spectra are susceptible to the environment properties. In addition to these probes, were used more two tools: (i) Preferential solvation model; it was proposed by our research group and describes the composition of the probe solvation shell, considering the existence of an aggregate between water and organic solvent. (ii) Multi-parameter solvation free energy equations that correlate the solvent dependent properties with solvents properties and their mixtures. At first, we have studied pairs of probes that have similar pKa values and different lipophilicity in protic solvents. We have concluded that solvent acidity and dipolarity/polarizability are the most important properties. These conclusions are supported by theoretical calculations, that have shown the relationship between structural features of the probe and its susceptibility to environment properties. The same set of probes was used in order to study water - protic solvents mixtures. In this, we have applied the above cited solvation model successfully and rationalized the equilibrium constants of the exchange of species present (water, solvent and water -solvent) in the solvation shell with the properties of pure solvents and / or binary mixtures. These results revealed that the composition of solvation shell is controlled by the properties of solvents, in special, lipophilicity and basicity. The probes RB and WB were studied in mixtures of water with alcohols and with aprotic solvents. The intention was to broaden the applicability of the solvation model, for which, we needed to know the molar volume of the aggregate VSolv-W, and the dissociation constant, Kdissoc, of the same. Previously, these two quantities were obtained, simultaneously, by iteration of density data. We have used theoretical calculations in order to obtain VSolv-W and then use it as constant parameter (not adjustable one) in the calculation of Kdissoc. Comparison of the results showed that, in both approaches, the differences between Kdissoc values were minimal. Moreover, the order of Kdissoc has not changed. This observation is due to the fact that the simultaneous calculation of Kdissoc and VSolv-W was always based on a large number of density data (18) so that the interation did not converge to a false minimum; the level of theory used in the theoretic calculations was appropriate. Regarding applications, our results showed the importance of the choice of solvent to the synthesis of an ionic liquid. We have attempted to reproduce the properties of CA by the use of two models, ethanol-ethyl acetate and cellulose triacetate-cellulose. The data of the liquid mixture showed preferential solvation; were successfully treated by the same model applied to aqueous binary mixtures. The solid model reproduces the CA data qualitatively.