Simulação computacional do comportamento associativo de líquidos iônicos em água através de dinâmica molecular

Abstract

Líquidos iônicos são caracterizados por serem compostos iônicos líquidos à temperatura ambiente em sua maioria, despertando interesse por apresentarem características como baixa volatilidade, estabilidade térmica em uma ampla faixa de temperaturas e alta versatilidade como solvente por interagirem com compostos polares e apolares. Por apresentarem tais características eles são objetos de estudo em diferentes áreas da ciência e são considerados como solventes verdes. Líquidos iônicos baseados no anel imidazólio, quando apresentam cadeias alquílicas laterais substituintes, apresentam comportamento anfifílico em solução aquosa, comportamento esse que é proveniente da porção polar do cátion (anel imodazólio) e da porção apolar sobre a cadeia alquílica substituinte. Esse tipo de cátion apresenta comportamento associativo em solução aquosa podendo até, em determinadas condições, levar a formação de micelas e vesículas que alteram significativamente as propriedades da solução em questão. Este trabalho teve como objetivo estudar teóricamente o comportamento de quatro líquidos iônicos diferentes em solução aquosa, sendo eles: cloreto de 1-butil-3-metilimidazólio, cloreto de 1-octil-3- metilimidazólio, cloreto de 1-dodecil-3-metilimidazólio e cloreto de 1-hexadecil-3-metilimidazólio. A metodologia utilizada foi a de dinâmica molecular através de simulações computacionais com o software Gromacs. Sistemas contendo diferentes números de pares iônicos tiveram as interações entre os cátions monitorados e dados de distância mínima de interação e função de distribuição radial foram obtidos. Os resultados obtidos mostram uma tendência não associativa para os cátions 1-butil-3-metilimidazólio e 1- octil-3-metilimidazólio, enquanto para os cátions 1-dodecil-3-metilimidazólio e 1- hexadecil-3-metilimidazólio uma tendência associativa é observada, principalmente para o último. O principal aspecto observado é uma crescente tendência associativa entre os cátions no sistema com o aumento do tamanho da cadeia carbônica lateral.

Ionic liquids are characterized as ionic compounds that are liquid at room temperature for the most part. They have drawn interest for presenting other characteristics such as low volatility, thermal stability over a wide temperature range, and high versatility as solvents by interacting with polar and non-polar compounds. Due to these characteristics, they are the subject of studies in different areas of science and are considered as green solvents. Ionic liquids based on the imidazolium ring, when presenting substituent alkyl chains, exhibit amphiphilic behavior in solution. This behavior is due to the polar portion of the cation in the imidazolium ring and the apolar portion on the substituent alkyl chain. This type of molecule exhibits associative behavior in solution and can even, under certain conditions, have the formation of micelles and vesicles that alter the properties of the solution in question. This study examined the behavior of four different ionic liquids in an aqueous solution, namely 1-butyl-3-methylimidazolium chloride, 1-octyl-3-methylimidazolium chloride, 1-dodecyl-3-methylimidazolium chloride, and 1-hexadecyl-3-methylimidazolium chloride. The methodology used was molecular dynamics through computational simulations with Gromacs software. Systems containing different numbers of ionic pairs had the interactions between the cations monitored, and data on minimum interaction distance and radial distribution function were obtained. The results show a non-associative trend for the cations 1-butyl-3-methylimidazolium and 1-octyl-3-methylimidazolium, while for the cations 1-dodecyl-3-methylimidazolium and 1-hexadecyl-3-methylimidazolium, an associative trend is observed, especially for the latter. The main aspect observed is a growing associative tendency between the cations in the system with the increasing size of the lateral alkyl chain.