Comportamento associativo de líquidos iônicos em água : Coarse Grain

Abstract

Este trabalho busca estudar e caracterizar o comportamento de associação entre cátions de líquidos iônicos solvatados em água a partir do par iônico composto pelo cátion imidazólio e ânion cloreto com o método de dinâmica molecular coarse-grained. Os cátions 1-butil-3metilimidazólio (BMI), 1-octil-3-metilimidazólio (OMI), 1-dodecil-3-metilimidazólio (DMI) e 1-hexadecil-3- metilimidazólio (HMI) foram os escolhidos para que o estudo considere os efeitos gerados pela variação de comprimento da cadeia carbônica lateral. As simulações foram feitas com uso do campo de força Martini 3.0 no programa GROMACS, a temperatura de 310 K (36 ºC), com termoestato v-rescale e a 1 bar de pressão com barostato Parrinello-Rahman. Analisou-se distâncias mínimas entre pares iônicos e entre os cátions e funções de distribuição radial entre os anéis imidazólicos, entre as pontas das cadeias carbônicas laterais e com avaliação da água hidratando os cátions. Os resultados obtidos indicam que os cátions BMI e OMI não se associam consigo mesmo em nenhuma das concentrações estudadas, permanecendo solvatados no meio aquoso enquanto que o cátion DMI possui associação cátion-cátion de curta duração e o HMI encontra-se associado consigo mesmo por um tempo mais longo que os anteriores. O íon cloreto encontra-se sempre hidratado e afastado do cátion, não apresentando associação. Estes resultados estão de acordo com o que foi obtido em simulações atomísticas, indicando que o campo de força pode ser utilizado para estudos com líquidos iônicos em água a um menor custo computacional quando comparado as opções atomísticas.

This work studies and characterizes the association behaviour of imidazolium cations often present in ionic liquid in aquous solution with the chloride ion as the anion, using coarsegrained molecular dynamics method. We considered the cations 1-butyl-3-methylimidazolium (BIM), 1-octyl-3-methylimidazolium (OIM), 1-dodecyl-3-methylimidazolium (DIM) and 1- hexadecyl-3-methylimidazolium (HIM), permitting the different carbon chain length effects to be accounted in the simulations. The simulations were performed using the Martini 3.0 force field in the GROMACS software, with a temperature of 310 K (36 ºC) maintained by the v-rescale thermostat and the pressure at 1 bar maintained by the Parrinello-Rahman barostat. We analized the minimum distance between the ionic pairs and cations and radial distribution function between the end chain Carbons, ring Carbons and solvation waters. The obtained results indicate that the BIM and OIM cations do not associate and are always hidrated at all considered concentrations. The DIM cation presents weak association behaviour, and the HIM cation shows significantly stronger associative behaviour. The chloride anion is always hidrated and far from the cations. These results are in accordance with atomistic simulations, indicating that further work can be developped with the coarse-grained force field, reduzing computacional costs.