Novos modelos para cálculo de energia livre de solvatação em simulações de dinâmica molecular

Combinando métodos computacionais da eletrostática e dinâmica molecular, este trabalho teve como objetivo descrever processos de solvatação em sistemas quimicamente importantes. Foram obtidas propriedades termodinâmicas necessárias para o entendimento do processo de solvatação. Estão descritos e testados modelos para descrever a interação soluto-solvente, possibilitando, assim, aprimorar a descrição físico-química dos processos de solvatação. Utilizaram-se programas desenvolvidos em nosso grupo e programas comerciais que permitem os cálculos de dinâmica molecular e química quântica. Uma nova abordagem para o cálculo de energia livre de solvatação foi desenvolvida proporcionando a obtenção acurada e eficiente dessa propriedade, dentro do enfoque da dinâmica molecular. Nessa nova abordagem, novas metodologias para a geração de cavidades moleculares foram propostas e avaliadas. As energias livres de solvatação obtidas estão em boa concordância com os valores experimentais.

Análise global da estabilidade termodinâmica de misturas: um estudo com o método do conjunto gerador

O cálculo do equilíbrio de fases é um problema de grande importância em processos da engenharia, como, por exemplo, na separação por destilação, em processos de extração e simulação da recuperação terciária de petróleo, entre outros. Mas para resolvê-lo é aconselhável que se estude a priori a estabilidade termodinâmica do sistema, a qual consiste em determinar se uma dada mistura se apresenta em uma ou mais fases. Tal problema pode ser abordado como um problema de otimização, conhecido como a minimização da função distância do plano tangente à energia livre de Gibbs molar, onde modelos termodinâmicos, de natureza não convexa e não linear, são utilizados para descrevê-lo. Esse fato tem motivado um grande interesse em técnicas de otimização robustas e eficientes para a resolução de problemas relacionados com a termodinâmica do equilíbrio de fases. Como tem sido ressaltado na literatura, para proporcionar uma completa predição do equilíbrio de fases, faz-se necessário não apenas a determinação do minimizador global da função objetivo do teste de estabilidade, mas também a obtenção de todos os seus pontos estacionários. Assim, o desenvolvimento de metodologias para essa tarefa desafiadora tem se tornado uma nova área de pesquisa da otimização global aplicada à termodinâmica do equilíbrio, com interesses comuns na engenharia química e na engenharia do petróleo. O foco do presente trabalho é uma nova metodologia para resolver o problema do teste de estabilidade. Para isso, usa-se o chamado método do conjunto gerador para realizar buscas do tipo local em uma rede de pontos previamente gerada por buscas globais efetuadas com uma metaheurística populacional, no caso o método do enxame de partículas.Para se obter mais de um ponto estacionário, minimizam-se funções de mérito polarizadas, cujos pólos são os pontos previamente encontrados. A metodologia proposta foi testada na análise de quatorze misturas polares previamente consideradas na literatura. Os resultados mostraram que o método proposto é robusto e eficiente a ponto de encontrar, além do minimizador global, todos os pontos estacionários apontados previamente na literatura, sendo também capaz de detectar, em duas misturas ternárias estudadas, pontos estacionários não obtidos pelo chamado método de análise intervalar, uma técnica confiável e muito difundida na literatura. A análise do teste de estabilidade pela simples utilização do método do enxame de partículas associado à técnica de polarização mencionada acima, para a obtenção de mais de um ponto estacionário (sem a busca local feita pelo método do conjunto gerador em uma dada rede de pontos), constitui outra metodologia para a resolução do problema de interesse. Essa utilização é uma novidade secundária deste trabalho. Tal metodologia simplificada exibiu também uma grande robustez, sendo capaz de encontrar todos os pontos estacionários pesquisados. No entanto, quando comparada com a abordagem mais geral proposta aqui, observou-se que tal simplificação pode, em alguns casos onde a função de mérito apresenta uma geometria mais complexa, consumir um tempo de máquina relativamente grande, dessa forma é menos eficiente.

Modelação molecular de associações entre aniões e receptores sintéticos

A aplicação de simulações de mecânica e dinâmica molecular ao estudo de sistemas supramoleculares tem adquirido, ao longo dos últimos anos, enorme relevância. A sua utilização não só tem levado a uma melhor compreensão dos mecanismos de formação desses mesmos sistemas, como também tem fornecido um meio para o desenvolvimento de novas arquitecturas supramoleculares. Nesta tese são descritos os trabalhos de mecânica e dinâmica molecular desenvolvidos no âmbito do estudo de associações supramoleculares entre aniões e receptores sintéticos do tipo [2]catenano, [2]rotaxano e pseudorotaxano. São ainda estudados complexos supramoleculares envolvendo receptores heteroditópicos do tipo calix[4]diquinona e pares iónicos formados por aniões halogeneto e catiões alcalinos e amónio. Os estudos aqui apresentados assentam essencialmente em duas vertentes: no estudo das propriedades dinâmicas em solução dos vários complexos supramoleculares considerados e no cálculo das energias livres de Gibbs de associação relativas dos vários iões aos receptores sintéticos. As metodologias utilizadas passaram por dinâmica molecular convencional e REMD (Replica Exchange Molecular Dynamics), para o estudo das propriedades em solução, e por cálculos de integração termodinâmica e MMPBSA (Molecular Mechanics – Poisson Boltzmann Surface Area), para a computação das energias livres de associação relativas. Os resultados obtidos, além de terem permitido uma visão mais detalhada dos mecanismos envolvidos no reconhecimento e associação dos vários receptores aos aniões e pares iónicos abordados, encontram-se, globalmente, de acordo com os análogos determinados experimentalmente, validando assim as metodologias empregadas. Em jeito de conclusão, investigou-se ainda a capacidade de um dos receptores heteroditópicos estudados para assistir favoravelmente na migração do par iónico KCl através da interface água-clorofórmio. Para tal, foram utilizadas simulações SMD (Steered Molecular Dynamics) para a computação do perfil de energia livre de Gibbs associada à migração do par iónico através da interface.

Monte Carlo studies of phase transitions and adsorption : application to n-6 Lennard-Jones, C60 and zeolite systems

The solid-fluid transition properties of the n - 6 Lennard-Jones system are studied by means of extensive free energy calculations. Different values of the parameter n which regulates the steepness of the short-range repulsive interaction are investigated. Furthermore, the free energies of the n < 12 systems are calculated using the n = 12 system as a reference. The method relies on a generalization of the multiple histogram method that combines independent canonical ensemble simulations performed with different Hamiltonians and computes the free energy difference between them. The phase behavior of the fullerene C60 solid is studied by performing NPT simulations using atomistic models which treat each carbon in the molecule as a separate interaction site with additional bond charges. In particular, the transition from an orientationally frozen phase at low temperatures to one where the molecules are freely rotating at higher temperatures is studied as a function of applied pressure. The adsorption of molecular hydrogen in the zeolite NaA is investigated by means of grand-canonical Monte Carlo, in a wide range of temperatures and imposed gas pressures, and results are compared with available experimental data. A potential model is used that comprises three main interactions: van der Waals, Coulomb and induced polarization by the permanent electric field in the zeolite.

Reação de estado sólido em multicamadas de Fe-Zr

Filmes finos de Fe-Zr na geometria de multicamadas foram tratados termicamente variando-se a temperatura (350ºC e 500ºC) e o tempo de tratamento (10min a 72h). As fases formadas por Reação de Estado Sólido (RES) em multicamadas com três composições totais diferentes (Fe0.67Zr0.33, Fe0.50Zr0.50, Fe0.33Zr0.67) foram analisadas por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford, difratometria de raios-X e espectroscopia Mössbauer. Verificou-se que a primeira fase formada é sempre uma fase amorfa de composição aproximada 50%at Fe. A fração Mössbauer desta fase, em função do tempo de tratamento térmico a 350ºC, foi traçada para as três composições. Também foram identificadas as fases cristalinas Fe2Zr e FeZr3. A seqüência de fases formadas revelou depender da composição da multicamada como-depositada e também da temperatura de tratamento. O diagrama esquemático de Energia Livre de Gibbs foi proposto de forma a comportar os resultados experimentais. Um modelo de crescimento planar de fases reagidas na interface de pares de reação foi aplicado às condições do crescimento multifásico observadas no presente trabalho.

Estudos teóricos da reação de alquilação desracemizante em enaminas quirais

Utilizando métodos ab initio no nível RHF/6-311G**, combinado com conceitos do Princípio de Curtin-Hammett e da lei de distribuição de Maxwell-Boltzmann, este trabalho teve como objetivo elucidar os mecanismos implicados na reação de Michael assimétrica via o equilíbrio tautomérico imina/enamina quirais, também conhecida como alquilação desracemizante. Estão descritos novas abordagens e metodologias para uma extensiva Análise Conformacional e Análise dos Estados de Transição para moléculas com razoável número de átomos, envolvendo um alto número de graus de liberdade. Essas novas abordagens e metodologias envolvendo o Estado de Transição, proporcionaram gerar resultados com desvio de apenas 10,1% para o valor do excesso diastereoisomérico dos produtos Re/Si envolvendo a enamina (R,R) 5; consideramos ainda neste caso, contribuições de entropia e entalpia (ZPE) para a energia livre absoluta de ativação. Tais resultados obtidos evidenciaram a importância da consideração de um maior número de confôrmeros na obtenção de geometrias no estado de transição, para a correta descrição dos processos cinéticos envolvidos nas reações químicas.

Vidro de spins com campo transverso e com quebra de simetria de réplicas

Estudamos vidros de spin de Ising de alcance infinito com campo transverso. A função de partição foi calculada no formalismo da integral funcional com operadores de spins na representação fermiônica e dentro da aproximação estática e na primeira etapa de quebra de simetria de réplicas da teoria de Parisi onde o conjunto de n réplicas é dividido em K blocos de m elementos. Obtivemos uma expressão para energia livre, entropia e energia interna para dois modelos: o modelo de quatro estados onde o operador Szi tem dois autovalores não físicos que são suprimidos por um vínculo no modelo de dois estados. A temperatura crítica em função do campo transverso, isto é, Tc(T), para ambos os modelos, diminui quando T cresce até atingir um valor crítico Tc. Fizemos também estudo numérico para os parâmetros de ordem, energia livre, entropia, energia interna e diagrama de fase com o parâmetro m fixo. Em ambos os modelos, a fase de vidros de spins é instável. Nosso trabalho difere da teoria de Parisi, onde m é dependente da temperatura. Na segunda parte da tese,analisamos vidros de spin com campo transverso na teoria de C. De Dominicis et. al. para o modelo de dois estados e o moidelo de quatro estados. Calculamos energia livre, a temperatura crítica Tc(T), determinamos o campo crítico e obtemos o diagrama de fase numericamente para ambos os modelos.

Um modelo de sacola difusa para a matéria nuclear

Neste trabalho desenvolvemos um modelo efetivo para a descrição da matéria nuclear, que incorpora os resultados obtidos, para a descrição de um núcleon, pelo modelo de sacola difusa. O sistema nuclear será descrito via uma função de energia interna, que compreende um termo livre e outro que leva em conta a interação entre os núcleons. A parte livre, por se tratar de um sistema de férmions, corresponderá à energia de um gásde Fermi livre. Além disso, para evitar a superposição de dois ou mais núcleons, introduzimos um volume de exclusão a la Van der Waals. Na parte integrante, a troca de píons entre os núcleons será levada em conta via um potêncial efetivo. A função energia interna dependerá da densidade da matéria nuclear e também de um parâmetro que determinará o volume esperado de cada núcleon na matéria nuclear. O valor deste parâmetro será um pouco diferente do valor encontrado para um núcleons isolado, devido à interação entre eles. Obtém-se então resultados para a energia de ligação por núcleon para a matéria nuclear simétrica e para a matéria de nêutrons, bem como para a equação de estado da matéria de nêutrons.

Modelo esférico quântico de vidro de spin na aproximação de recozimento

Apresentamos aqui o modelo esférico quântico de vidro de spin usando a aproximação de recozimento. São calculadas a energia livre, bem como a temperatura crítica em função do momentum de inércia e a entropia. São consideradas interações aleatórias de longo alcance (campo médio) com distribuição normal de média zero, e a energia cinética de cada spin. O cálculo é feito utilizando o formalismo funcional de Feynman de integrais de caminhos. O limite clássico é apresentado e coincide com o limite conhecido de teorias anteriores.

Cadeias de Markov clássicas e quânticas

Seguindo o trabalho de S. Gudder, fazemos uma construção de cadeias de Markov quânticas a partir de matrizes complexas, unitárias, estocásticas e analisamos o conceito de interferência nesse contexto, dando atenção para uma cadeia que chamamos de moeda quântica. Estamos interessados na entropia de cadeias de Markov reais, no princípio variacional para energia livre associado e em uma possível construção análoga no caso complexo. Este trabalho visa também dar uma introdução matematicamente rigorosa de certos aspectos de mecânica quântica

Estudo teórico da solvatação de ânions em solventes orgânicos

O presente trabalho relata a parametrização do modelo de contínuo IEF-PCM para o estudo da solvatação de ânions monovalentes em acetonitrila e N,N-dimetilformamida. Nós propomos duas metodologias de parametrização do modelo de contínuo polarizável para este estudo teórico. A primeira proposta é baseada unicamente no cálculo do termo eletrostático da energia livre e na equiparação deste termo com a energia livre de solvatação experimental. Na segunda proposta de metodologia, a parametrização do modelo de contínuo polarizável foi realizada com o auxílio das simulações de dinâmica molecular e dentro desta segunda proposta nós calculamos todos os termos que contribuem para a energia livre de solvatação, a energia de cavitação. a energia eletrostática e a energia de van der Waals. Com a aplicação da primeira metodologia, é obtido um erro médio absoluto de 2,1 kcal/mol nas energias de solvatação dos ânions em acetonitrila enquanto que o erro médio absoluto calculado para energias de solvatação dos ânions em N,N-dimetilformamida é 2,8 kcal/mol. A aplicação da segunda metodologia resulta num erro médio absoluto de 1,4 kcal/mol nas energias de solvatação dos ânions em acetonitrila e um erro médio absoluto de 1,2 kcal/mol nas energias de solvatação calculadas para os ânions em N,N-dimetilformamida. Estes resultados indicam que o modelo de contínuo polarizável IEF-PCM é adequado para o estudo dos efeitos termodinâmicos nas soluções de ânions nos solventes acetonitrila e N,N-dimetilformamida.

Dispersões sólidas de sinvastatina: preparação, caracterização, no estado sólido utilizando técnicas emergentes e estudo de estabilidade

This thesis aimed to assess the increase in solubility of simvastatin (SINV) with solid dispersions using techniques such as kneading (MA), co-solvent evaporation (ES), melting carrier (FC) and spray dryer (SD). Soluplus (SOL), PEG 6000 (PEG), PVP K-30 (PVP) e sodium lauryl sulphate (LSS) were used as carriers. The solid dispersions containing PEG [PEG-2(SD)], Soluplus [SOL-2(MA)] and sodium lauryl sulphate [LSS-2(ES)] were presented with a greater increase in solubility (5.02, 5.60 and 5.43 times respectively); analyses by ANOVA between the three groups did not present significant difference (p<0.05). In the phase solubility study, the calculation of the Gibbs free energy (ΔG) revealed that the spontaneity of solubilisation of SINV occurred in the order SOL>PEG >PVP 75%>LSS, always 80%. The phase diagrams of PEG and LSS presented solubilization stoichiometry of type 1:1 (type AL). The diagrams with PVP and SOL tend to 1:2 stoichiometry (type AL + AP). The stability coefficients (Ks) of the phase diagrams revealed that the most stable reactions occurred with LSS and PVP. The solid dispersions were characterized by Fourier transform infrared (FTIR), differential scanning calorimetry (DSC), scanning electron microscopy (SEM), particle size distribution (PSD), near-infrared spectroscopy imaging (NIR-CI) and X-ray diffraction of the powder using the Topas software (PDRX-TOPAS). The solid dispersion PEG-2(SD) presented the greatest homogeneity and the lowest degree of crystallinity (18.2%). The accelerated stability study revealed that the solid dispersions are less stable than SINV, with PEG-2(SD) being the least stable, confirmed by FTIR and DSC. The analyses by PDRX-TOPAS revealed the amorphous character of the dispersions and the mechanism of increasing solubility

Síntese e caracterização de aluminofosfato impregnado com molibdênio/zinco visando a dessulfurização por adsorção

Discussions about pollution caused by vehicles emission are old and have been developed along the years. The search for cleaner technologies and frequent weather alterations have been inducing industries and government organizations to impose limits much more rigorous to the contaminant content in fuels, which have an direct impact in atmospheric emissions. Nowadays, the quality of fuels, in relation to the sulfur content, is carried out through the process of hydrodesulfurization. Adsorption processes also represent an interesting alternative route to the removal of sulfur content. Both processes are simpler and operate to atmospheric temperatures and pressures. This work studies the synthesis and characterization of aluminophosphate impregnate with zinc, molybdenum or both, and its application in the sulfur removal from the gasoline through the adsorption process, using a pattern gasoline containing isooctane and thiophene. The adsorbents were characterized by x-ray diffraction, differential thermal analysis (DTG), x-ray fluorescence and scanning electron microscopy (SEM). The specific area, volume and pore diameter were determined by BET (Brunauer- Emmet-Teller) and the t-plot method. The sulfur was quantified by elementary analysis using ANTEK 9000 NS. The adsorption process was evaluated as function of the temperature variation and initial sulfur content through the adsorption isotherm and its thermodynamic parameters. The parameters of entropy (ΔS), enthalpy variation (ΔH) and free Gibbs energy (ΔG) were calculated through the graph ln(Kd) versus 1/T. Langmuir, Freundlich and Langmuir-Freundlich models were adjusted to the experimental data, and the last one had presented better results. The thermodynamic tests were accomplished in different temperatures, such as 30, 40 and 50ºC, where it was concluded the adsorption process is spontaneous and exothermic. The kinetic of adsorption was studied by 24 h and it showed that the capability adsorption to the adsorbents studied respect the following order: MoZnPO > MoPO > ZnPO > AlPO. The maximum adsorption capacity was 4.91 mg/g for MoZnPO with an adsorption efficiency of 49%.

Síntese e caracterização de tensoativos e estudo de equilíbrio de fase dos sistemas CnH2n+2/H2O/CnH2n+1COONa/But-OH

The growing utilization of surfactants in several different areas of industry has led to an increase on the studies involving solutions containing this type of molecules. Due to its amphiphilic nature, its molecule presents one polar part and one nonpolar end, which easily interacts with other molecules, being able to modify the media properties. When the concentration in which its monomers are saturated, the airliquid system interface is reached, causing a decrease in interfacial tension. The surfactants from pure fatty acids containing C8, C12 and C16 carbonic chains were synthesized in an alcoholic media using sodium hydroxide. They were characterized via thermal analysis (DTA and DTG) and via infrared spectroscopy, with the intention of observing their purity. Physical and chemical properties such as superficial tension, critical micelle concentration (c.m.c), surfactant excess on surface and Gibbs free energy of micellization were determined in order to understand the behaviour of these molecules with an aqueous media. Pseudo-ternary phase diagrams were obtained aiming to limit the Windsor equilibria conditions so it could be possible to understand how the surfactants carbonic chain size contributes to the microemulsion region. Solutions with known concentrations were prepared to study how the surfactants can influence the dynamic light scattering spectroscopy (DLS) and how the diffusion coefficient is influenced when the media concentration is altered. The results showed the variation on the chain size of the studied surfactant lipophilic part allows the conception of surfactants with similar interfacial properties, but dependent on the size of the lipophilic part of the surfactant. This variation causes the surfactant to have less tendency of microemulsionate oil in water. Another observed result is that the n-alcanes molecule size promoted a decrease on the microemulsion region on the obtained phase diagrams