Optimización de operaciones unitarias utilizando líquidos iónicos como agentes materiales de separación

En este trabajo se estudia la modelización y optimización de procesos industriales de separación mediante el empleo de mezclas de líquidos iónicos como disolventes. Los disolventes habitualmente empleados en procesos de absorción o extracción suelen ser componentes orgánicos muy volátiles y dañinos para la salud humana. Las innovadoras propiedades que presentan los líquidos iónicos, los convierten en alternativas adecuadas para solucionar estos problemas. La presión de vapor de estos compuestos es muy baja y apenas varía con la temperatura. Por tanto, estos compuestos apenas se evaporan incluso a temperaturas altas. Esto supone una gran ventaja en cuanto al empleo de estos compuestos como disolventes industriales ya que permite el reciclaje continuo del disolvente al final del proceso sin necesidad de introducir disolvente fresco debido a la evaporación del mismo. Además, al no evaporarse, estos compuestos no suponen un peligro para la salud humana por inhalación; al contrario que otros disolventes como el benceno. El único peligro para la salud que tienen estos compuestos es por tanto el de contacto directo o ingesta, aunque de hecho muchos Líquidos Iónicos son inocuos con lo cual no existe peligro para la salud ni siquiera a través de estas vías. Los procesos de separación estudiados en este trabajo, se rigen por la termodinámica de fases, concretamente el equilibrio líquido-vapor. Para la predicción de los equilibrios se ha optado por el empleo de modelos COSMO (COnductor-like Screening MOdel). Estos modelos tienen su origen en el empleo de la termodinámica de solvatación y en la mecánica cuántica. En el desarrollo de procesos y productos, químicos e ingenieros frecuentemente precisan de la realización de cálculos de predicción de equilibrios de fase. Previamente al desarrollo de los modelos COSMO, se usaban métodos de contribución de grupos como UNIFAC o modelos de coeficientes de actividad como NRTL.La desventaja de estos métodos, es que requieren parámetros de interacción binaria que únicamente pueden obtenerse mediante ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a esto, estos métodos apenas tienen aplicabilidad para compuestos con grupos funcionales novedosos debido a que no se dispone de datos experimentales para llevar a cabo los ajustes por regresión correspondientes. Una alternativa a estos métodos, es el empleo de modelos de solvatación basados en la química cuántica para caracterizar las interacciones moleculares y tener en cuenta la no idealidad de la fase líquida. Los modelos COSMO, permiten la predicción de equilibrios sin la necesidad de ajustes por regresión a partir de resultados experimentales. Debido a la falta de resultados experimentales de equilibrios líquido-vapor de mezclas en las que se ven involucrados los líquidos iónicos, el empleo de modelos COSMO es una buena alternativa para la predicción de equilibrios de mezclas con este tipo de materiales. Los modelos COSMO emplean las distribuciones superficiales de carga polarizada (sigma profiles) de los compuestos involucrados en la mezcla estudiada para la predicción de los coeficientes de actividad de la misma, definiéndose el sigma profile de una molécula como la distribución de probabilidad de densidad de carga superficial de dicha molécula. Dos de estos modelos son COSMO-RS (Realistic Solvation) y COSMO-SAC (Segment Activity Coefficient). El modelo COSMO-RS fue la primera extensión de los modelos de solvatación basados en continuos dieléctricos a la termodinámica de fases líquidas mientras que el modelo COSMO-SAC es una variación de este modelo, tal y como se explicará posteriormente. Concretamente en este trabajo se ha empleado el modelo COSMO-SAC para el cálculo de los coeficientes de actividad de las mezclas estudiadas. Los sigma profiles de los líquidos iónicos se han obtenido mediante el empleo del software de química computacional Turbomole y el paquete químico-cuántico COSMOtherm. El software Turbomole permite optimizar la geometría de la molécula para hallar la configuración más estable mientras que el paquete COSMOtherm permite la obtención del perfil sigma del compuesto mediante el empleo de los datos proporcionados por Turbomole. Por otra parte, los sigma profiles del resto de componentes se han obtenido de la base de datos Virginia Tech-2005 Sigma Profile Database. Para la predicción del equilibrio a partir de los coeficientes de actividad se ha empleado la Ley de Raoult modificada. Se ha supuesto por tanto que la fracción de cada componente en el vapor es proporcional a la fracción del mismo componente en el líquido, dónde la constante de proporcionalidad es el coeficiente de actividad del componente en la mezcla multiplicado por la presión de vapor del componente y dividido por la presión del sistema. Las presiones de vapor de los componentes se han obtenido aplicando la Ley de Antoine. Esta ecuación describe la relación entre la temperatura y la presión de vapor y se deduce a partir de la ecuación de Clausius-Clapeyron. Todos estos datos se han empleado para la modelización de una separación flash usando el algoritmo de Rachford-Rice. El valor de este modelo reside en la deducción de una función que relaciona las constantes de equilibrio, composición total y fracción de vapor. Para llevar a cabo la implementación del modelado matemático descrito, se ha programado un código empleando el software MATLAB de análisis numérico. Para comprobar la fiabilidad del código programado, se compararon los resultados obtenidos en la predicción de equilibrios de mezclas mediante el código con los resultados obtenidos mediante el simulador ASPEN PLUS de procesos químicos. Debido a la falta de datos relativos a líquidos iónicos en la base de datos de ASPEN PLUS, se han introducido estos componentes como pseudocomponentes, de manera que se han introducido únicamente los datos necesarios de estos componentes para realizar las simulaciones. El modelo COSMO-SAC se encuentra implementado en ASPEN PLUS, de manera que introduciendo los sigma profiles, los volúmenes de la cavidad y las presiones de vapor de los líquidos iónicos, es posible predecir equilibrios líquido-vapor en los que se ven implicados este tipo de materiales. De esta manera pueden compararse los resultados obtenidos con ASPEN PLUS y como el código programado en MATLAB y comprobar la fiabilidad del mismo. El objetivo principal del presente Trabajo Fin de Máster es la optimización de mezclas multicomponente de líquidos iónicos para maximizar la eficiencia de procesos de separación y minimizar los costes de los mismos. La estructura de este problema es la de un problema de optimización no lineal con variables discretas y continuas, es decir, un problema de optimización MINLP (Mixed Integer Non-Linear Programming). Tal y como se verá posteriormente, el modelo matemático de este problema es no lineal. Por otra parte, las variables del mismo son tanto continuas como binarias. Las variables continuas se corresponden con las fracciones molares de los líquidos iónicos presentes en las mezclas y con el caudal de la mezcla de líquidos iónicos. Por otra parte, también se ha introducido un número de variables binarias igual al número de líquidos iónicos presentes en la mezcla. Cada una de estas variables multiplican a las fracciones molares de sus correspondientes líquidos iónicos, de manera que cuando dicha variable es igual a 1, el líquido se encuentra en la mezcla mientras que cuando dicha variable es igual a 0, el líquido iónico no se encuentra presente en dicha mezcla. El empleo de este tipo de variables obliga por tanto a emplear algoritmos para la resolución de problemas de optimización MINLP ya que si todas las variables fueran continuas, bastaría con el empleo de algoritmos para la resolución de problemas de optimización NLP (Non-Linear Programming). Se han probado por tanto diversos algoritmos presentes en el paquete OPTI Toolbox de MATLAB para comprobar cuál es el más adecuado para abordar este problema. Finalmente, una vez validado el código programado, se han optimizado diversas mezclas de líquidos iónicos para lograr la máxima recuperación de compuestos aromáticos en un proceso de absorción de mezclas orgánicas. También se ha usado este código para la minimización del coste correspondiente a la compra de los líquidos iónicos de la mezcla de disolventes empleada en la operación de absorción. En este caso ha sido necesaria la introducción de restricciones relativas a la recuperación de aromáticos en la fase líquida o a la pureza de la mezcla obtenida una vez separada la mezcla de líquidos iónicos. Se han modelizado los dos problemas descritos previamente (maximización de la recuperación de Benceno y minimización del coste de operación) empleando tanto únicamente variables continuas (correspondientes a las fracciones o cantidades molares de los líquidos iónicos) como variables continuas y binarias (correspondientes a cada uno de los líquidos iónicos implicados en las mezclas).

Novos protocolos teóricos utilizados nos estudos das ligações hidrogênio-hidrogênio, na estabilidade do tetraedrano, seus derivados e das reações de diels-alder e na quantificação da afinidade de fármacos

This thesis was performed in four chapters, at the theoretical level, focused mainly on electronic density. In the first chapter, we have applied an undergraduate minicourse of Diels-Alder reaction in Federal University of Rio Grande do Norte. By using computational chemistry tools students could build the knowledge by themselves and they could associate important aspects of physical-chemistry with Organic Chemistry. In the second chapter, we studied a new type of chemical bond between a pair of identical or similar hydrogen atoms that are close to electrical neutrality, known as hydrogen-hydrogen (H-H) bond. In this study performed with complexed alkanes, provides new and important information about their stability involving this type of interaction. We show that the H-H bond playing a secondary role in the stability of branched alkanes in comparison with linear or less branched isomers. In the third chapter, we study the electronic structure and the stability of tetrahedrane, substituted tetrahedranes and silicon and germanium parents, it was evaluated the substituent effect on the carbon cage in the tetrahedrane derivatives and the results indicate that stronger electron withdrawing groups (EWG) makes the tetrahedrane cage slightly unstable while slight EWG causes a greater instability in the tetrahedrane cage. We showed that the sigma aromaticity EWG and electron donating groups (EDG) results in decrease and increase, respectively, of NICS and D3BIA aromaticity indices. In addition, another factor can be utilized to explain the stability of tetra-tert-butyltetrahedrane as well as HH bond. GVB and ADMP were also used to explain the stability effect of the substituents bonded to the carbon of the tetrahedrane cage. In the fourth chapter, we performed a theoretical investigation of the inhibitory effect of the drug abiraterone (ABE), used in the prostate cancer treatment as CYP17 inhibitor, comparing the interaction energies and electron density of the ABE with the natural substrate, pregnenolone (PREG). Molecular dynamics and docking were used to obtain the CYP1ABE and CYP17-PREG complexes. From molecular dynamics was obtained that the ABE has higher diffusion trend water CYP17 binding site compared to the PREG. With the ONIOM (B3LYP:AMBER) method, we find that the interaction electronic energy of ABE is 21.38 kcal mol-1 more stable than PREG. The results obtained by QTAIM indicate that such stability is due a higher electronic density of interactions between ABE and CYP17

Efeito do substituinte “-F” nas propriedades electrónicas e estruturais de fluoroquinolonas

Este estudo incide sobre as características que a presença do ião flúor em moléculas concede. Mais concretamente em fluoroquinolonas, antibióticos que cada vez são mais utilizados. Fez-se uma analise de vários parâmetros para obtermos informação sobre a interação fármaco-receptor nas fluoroquinolonas. Sendo para isso utilizadas técnicas de caracterização química computacional para conseguirmos caracterizar eletronicamente e estruturalmente (3D) as fluoroquinolonas em complemento aos métodos semi-empíricos utilizados inicialmente. Como é sabido, a especificidade e a afinidade para o sitio alvo, é essencial para eficácia de um fármaco. As fluoroquinolonas sofreram um grande desenvolvimento desde a primeira quinolona sintetizada em 1958, sendo que desde ai foram sintetizadas inúmeros derivados da mesma. Este facto deve-se a serem facilmente manipuladas, derivando fármacos altamente potentes, espectro alargado, factores farmacocinéticos optimizados e efeitos adversos reduzidos. A grande alteração farmacológica para o aumento do interesse neste grupo, foi a substituição em C6 de um átomo de flúor em vez de um de hidrogénio. Para obtermos as informações sobre a influência do ião flúor sobre as propriedades estruturais e electrónicas das fluoroquinolonas, foi feita uma comparação entre a fluoroquinolona com flúor em C6 e com hidrogénio em C6. As quatro fluoroquinolonas presentes neste estudo foram: ciprofloxacina, moxiflocacina, sparfloxacina e pefloxacina. As informações foram obtidas por programas informáticos de mecânica quântica e molecular. Concluiu-se que a presença de substituinte flúor não modificava de forma significativa a geometria das moléculas mas sim a distribuição da carga no carbono vicinal e nos átomos em posição alfa, beta e gama relativamente a este. Esta modificação da distribuição electrónica pode condicionar a ligação do fármaco ao receptor, modificando a sua actividade farmacológica.

DFT STUDIES ON THE MECHANISM OF RING-OPENING POLYMERIZATION OF LACTIDE WITH ADENINE

The use of organic molecules as catalysts for the ring-opening polymerization (ROP) of cyclic esters has gained much interest last years.[1] The use of a molecule of biological interest, able to initiate ROP of cyclic esters without any cocatalyst is even more interesting, as the resulting material will not contain any catalytic residue. Nucleobase-polymer conjugates development is thus an emerging area envisaging biomedical applications.[2] However, they are usually synthesized by tedious multistep procedures. Recently, adenine was used as organoinitiator for the ROP of L-lactide.[3] Reaction conditions involving short reaction times and relatively low temperatures enable the access to adenine-polylactide(Adn-PLA)conjugates in a simple one-step procedure, without additional catalyst and in the absence of solvent. In this study, computational investigations with density functional theory (DFT) were performed in order to clarify the reaction mechanism leading to the desired Adn-PLA. The results show that a hydrogen bond catalytic mechanism, involving a nucleophilic attack of the activated amine group of adenine onto the carbonyl group of lactide, seem to be plausible.

NEW METAL-BASED MICELLES AS ANTICANCER AGENTS

Cancer is a leader cause of death worldwide. One of the problems associated with the current chemotherapeutic options is the noxious side effects caused by the lack of selectivity. In this frame, our research group has been committed to the development of a new Ru and Fe macrometallodrugs.[1] The data obtained so far shows that these compounds present an intrinsic selectivity towards cancer cells (relatively to healthy cells) due to the incorporation of polymeric ligands that promote a passive targeting through the cancer cell membrane. These results prompted us to the development of new macrometallodrugs bearing bioessential metals such as Fe, Zn and Co. We used a ‘M(bipy) 3 ’ scaffold (bipy = 2,2’-bipyridine derivatives) for the synthesis of the new compounds due to the promising cytotoxicity results observed for related compounds.[2] As polymeric ligands we have chosen the polylactide-co-polyethylene glycol amphiphilic copolymer that is able to self-assemble into micelles in water, keeping the metal center hidden, like a Trojan horse. We will present the synthesis and characterization of the new compounds and some preliminary data on their ability to form stable micelles (Figure 1).

Aplicação da química quântica computacional no estudo de processos químicos envolvidos em espectrometria de massas

The field of application of mass spectrometry (MS) has increased considerably due to the development of ionization techniques. Other factors that have stimulated the use of MS are the tandem mass spectrometry (MS/MS) and sequential mass spectrometry (MSn) techniques. However, the interpretation of the MS/MS and MSn data may lead to speculative conclusions. Thus, various quantum chemical methods have been applied for obtaining high quality thermochemical data in gas phase. In this review, we show some applications of computational quantum chemistry to understand the formation and fragmentation of gaseous ions of organic compounds in a MS analysis.

Uma perspectiva computacional sobre catálise enzimática

Enzymes are extremely efficient catalysts. Here, part of the mechanisms proposed to explain this catalytic power will be compared to quantitative experimental results and computer simulations. Influence of the enzymatic environment over species along the reaction coordinate will be analysed. Concepts of transition state stabilisation and reactant destabilisation will be confronted. Divided site model and near-attack conformation hypotheses will also be discussed. Molecular interactions such as covalent catalysis, general acid-base catalysis, electrostatics, entropic effects, steric hindrance, quantum and dynamical effects will also be analysed as sources of catalysis. Reaction mechanisms, in particular that catalysed by protein tyrosine phosphatases, illustrate the concepts.

Propriedades dinâmicas de fluidos por simulação computacional: métodos híbridos atomístico-contínuo

Computational methods for the calculation of dynamical properties of fluids might consider the system as a continuum or as an assembly of molecules. Molecular dynamics (MD) simulation includes molecular resolution, whereas computational fluid dynamics (CFD) considers the fluid as a continuum. This work provides a review of hybrid methods MD/CFD recently proposed in the literature. Theoretical foundations, basic approaches of computational methods, and dynamical properties typically calculated by MD and CFD are first presented in order to appreciate the similarities and differences between these two methods. Then, methods for coupling MD and CFD, and applications of hybrid simulations MD/CFD, are presented.

Regioselectividad en fullerenos, una visión computacional

Fullerenes are wonderful molecules that exhibit a wealth of interesting properties, which promises a major role for this family in the future in the (bio)medicine and nanotechnology fields. However, there are still many unknowns such as for instance the reactivity of these molecules and how this is affected by metals. These aspects are difficult to apprehend by experiments alone, for which reason there is a widespread interest in the description and simulation of them by theoretical chemistry. Here we briefly describe our results from the past five years and their future impact

Estudo químico-computacional da reatividade de aziridinona e diaziridinona através de cálculos semi-empíricos

The results of semiempirical molecular orbital calculations performed on aziridinone and diaziridinone employing the MNDO, AM1, and PM3 molecular models are presented. The AM1 method, which best reproduces ground-state molecular properties, is used to calculate electronic parameters and the use of these parameters for the evaluation of reactivity is discussed.

Estudo da geometria da uréia por métodos ab initio e simulação computacional de líquidos

A study was carried out on the urea geometries using ab initio calculation and Monte Carlo computational simulation of liquids. The ab initio calculated results showed that urea has a non-planar conformation in the gas phase in which the hydrogen atoms are out of the plane formed by the heavy atoms. Free energies associated to the rotation of the amino groups of urea in water were obtained using the Monte Carlo method in which the thermodynamic perturbation theory is implemented. The magnitude of the free energy obtained from this simulation did not permit us to conclude that urea is non-planar in water.

Qual o sítio de reação? Um experimento computacional

A computational quantum chemistry experiment is described on the determination of the most reactive atom in a molecule for a reaction. The reaction studied was the S N2 of 4-(dimethylamino)pyridine and methyl iodide. Several indexes (HOMO coefficent, (c), charges, (q), nucleophilic softness, (s+), and Fukui index, (f+)) were employed to verify which correctly describe what nitrogen will react. The calculations were made by AM1 and HF/STO-3G methods. The correct reactivity order is only reproduced by s+ and f+. The lack of agreement of FMO based indexes was discussed.

Avaliação de contaminação ambiental causada por poluentes orgânicos persistentes utilizando simulação computacional

Environmental concern is growing in the current days and there is global agreement to banish production and use of persistent organic pollutants (POP). The synthetic insecticides chlordecone and mirex, classified as POPs, have similar structures and they are potentially toxic. This work uses properties and physicochemical constants related to the pesticides and computational simulation to evaluate the leach phenomenon and persistency in soil. The largest tendency of persistence of the compound is found to be in the surface of soil, but even low concentration in water represents a high risk due to bioaccumulation in adipose tissue.

Reatividade em reações de Diels-Alder: uma prática computacional

A computational quantum chemistry experiment is described of Diels-Alder reactions between 2-cycloenones and cyclopentadiene. The effects of FMO-Frontier Molecular Orbitals (HOMO-LUMO) and of the withdrawing nature of substituents at the C=C bond of cycloenones were evaluated. The calculations were made using HF/STO-3G and B3LYP/6-31+G(d,p) methods. The FMO based indexes are in agreement with the experimentally observed reactivity order. NBO - Natural Bond Orbitals - analysis was used to ascertain the effect of C=C substituents on the dienophile reactivity.