Zwitterions baseados em fenolatos para absorção de CO2 : elucidação do mecanismo e propostas de modificações utilizando química computacional

Abstract

Para mitigar efeitos das mudanças climáticas, metodologias para a absorção de dióxido de carbono (CO2) devem ser utilizadas. Entre elas, destaca-se o uso de soluções aquosas de alcanolaminas como uma tecnologia madura. Entretanto, diversos problemas para seu uso são encontrados, como alto custo energético e dificuldade de aplicação em grande escala. Para explorar alternativas as alcanolaminas, foi estudado, através da teoria do funcional da densidade, a reação de zwitterions baseados em fenolato com CO2. Utilizando o nível de teoria ωB97XD/def2-QZVPPD//ωB97XD/def2-TZVPP em água (H2O) implicitamente simulada, foi determinado que a reação segue um mecanismo concertado entre o complexo (zwitterion+H2O) e CO2. Após, grupos capazes de doar ou retirar densidade eletrônica foram adicionados ao fenolato com o intuito de entender seus efeitos sob a reação de absorção. De forma geral, grupos doadores reduzem a energia necessária para a absorção, entretanto tornam a dessorção energeticamente desfavorável. Grupos retiradores, por sua vez, apresentam pouco efeito na absorção, mas reduzem a energia necessária para a dessorção. Por último, a substituição do grupo imidazólio por trietilamônio foi testada sendo observado um favorecimento tanto a reação de absorção quanto de dessorção. Todos os resultados foram comparados com os obtidos para o metildietanolamina (MDEA), alcanolamina utilizada com referência.

To mitigate the effects of climate change, methodologies for absorbing carbon dioxide (CO2) must be employed. Among them, the use of aqueous solutions of alkanolamines stands out as a mature technology. However, several problems with their use are encountered, such as high energy cost and difficulty in large-scale applications. To explore alternatives to alkanolamines, the reaction of phenolate based zwitterions with CO2 was studied using density functional theory. Using the ωB97XD/def2-QZVPPD//ωB97XD/def2-TZVPP level of theory in implicitly simulated water (H2O), it was determined that the reaction follows a concerted mechanism between the (zwitterion+H2O) complex and CO2. Subsequently, groups capable of donating or withdrawing electron density were added to the phenolate to understand their effects on the absorption reaction. In general, electron-donating groups reduce the energy required for absorption but make desorption energetically unfavorable. Electron-withdrawing groups, on the other hand, have little effect on absorption but reduce the energy required for desorption. Finally, the replacement of the imidazolium group by triethylammonium was tested, and a favorable effect was observed for both the absorption and desorption reactions. All results were compared with those obtained for methyldiethanolamine (MDEA), the alkanolamine used as a reference.